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Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung ist für die Erreichung der Ziele des Pariser Abkommens von entscheidender Bedeutung.Die Photosynthese ist die Technologie der Natur zur Kohlenstoffbindung.Inspiriert von Flechten haben wir ein 3D-photosynthetisches Biokomposit aus Cyanobakterien entwickelt (das Flechten nachahmt), indem wir ein Acryllatexpolymer auf einen Luffaschwamm auftragen.Die CO2-Aufnahmerate durch das Biokomposit betrug 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 Biomasse d-1.Die Aufnahmerate basiert auf der trockenen Biomasse zu Beginn des Experiments und umfasst CO2, das zum Wachstum neuer Biomasse verwendet wird, sowie CO2, das in Speicherverbindungen wie Kohlenhydraten enthalten ist.Diese Aufnahmeraten waren 14–20-mal höher als Güllekontrollmaßnahmen und könnten potenziell auf die Erfassung von 570 t CO2 t-1 Biomasse pro Jahr-1 ausgeweitet werden, was einer Landnutzung von 5,5–8,17 × 106 Hektar entspricht und 8–12 Gt CO2 entfernt CO2 pro Jahr.Im Gegensatz dazu beträgt die Waldbioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung 0,4–1,2 × 109 ha.Das Biokomposit blieb 12 Wochen lang ohne zusätzliche Nährstoffe oder Wasser funktionsfähig, danach wurde das Experiment abgebrochen.Im Rahmen der vielfältigen technologischen Haltung der Menschheit zur Bekämpfung des Klimawandels haben technisch hergestellte und optimierte Cyanobakterien-Biokomposite das Potenzial für einen nachhaltigen und skalierbaren Einsatz, um die CO2-Entfernung zu erhöhen und gleichzeitig Wasser-, Nährstoff- und Landnutzungsverluste zu reduzieren.
Der Klimawandel ist eine echte Bedrohung für die globale Artenvielfalt, die Stabilität des Ökosystems und die Menschen.Um die schlimmsten Auswirkungen abzumildern, sind koordinierte und groß angelegte Entkohlungsprogramme erforderlich, und natürlich ist eine direkte Entfernung von Treibhausgasen aus der Atmosphäre erforderlich.Trotz einer positiven Dekarbonisierung der Stromerzeugung2,3 gibt es derzeit keine wirtschaftlich nachhaltigen technologischen Lösungen zur Reduzierung des atmosphärischen Kohlendioxids (CO2)4, obwohl die Rauchgasabscheidung voranschreitet5.Anstelle skalierbarer und praktischer technischer Lösungen sollten sich die Menschen für die Kohlenstoffabscheidung an natürliche Ingenieure wenden – photosynthetische Organismen (phototrophe Organismen).Die Photosynthese ist die Kohlenstoffbindungstechnologie der Natur, aber ihre Fähigkeit, die anthropogene Kohlenstoffanreicherung in sinnvollen Zeiträumen umzukehren, ist fraglich, Enzyme sind ineffizient und ihre Fähigkeit, sie in geeigneten Maßstäben einzusetzen, ist fraglich.Ein potenzieller Weg zur Phototrophie ist die Aufforstung, bei der Bäume für Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS) gefällt werden. Dabei handelt es sich um eine Technologie mit negativen Emissionen, die zur Reduzierung der Netto-CO21-Emissionen beitragen kann.Um jedoch das Temperaturziel des Pariser Abkommens von 1,5 °C mit BECCS als Hauptmethode zu erreichen, wären 0,4 bis 1,2 × 109 ha erforderlich, was 25–75 % der aktuellen globalen Ackerfläche6 entspricht.Darüber hinaus stellt die mit den globalen Auswirkungen der CO2-Düngung verbundene Unsicherheit die potenzielle Gesamteffizienz von Waldplantagen in Frage7.Wenn wir die im Pariser Abkommen festgelegten Temperaturziele erreichen wollen, müssen jedes Jahr 100 Gt CO2 an Treibhausgasen (GGR) aus der Atmosphäre entfernt werden.Das britische Ministerium für Forschung und Innovation hat kürzlich die Finanzierung von fünf GGR8-Projekten angekündigt, darunter Torflandmanagement, verbesserte Gesteinsverwitterung, Baumpflanzung, Biokohle und mehrjährige Pflanzen zur Unterstützung des BECCS-Prozesses.Die Kosten für die Entfernung von mehr als 130 Mio. t CO2 pro Jahr aus der Atmosphäre betragen 10–100 US$/tCO2, 0,2–8,1 Mio. tCO2 pro Jahr für die Renaturierung von Mooren, 52–480 US$/tCO2 und 12–27 Mio. tCO2 pro Jahr für die Verwitterung von Gesteinen , 0,4-30 USD/Jahr.tCO2, 3,6 Mio. tCO2/Jahr, 1 % Zunahme der Waldfläche, 0,4–30 US$/tCO2, 6–41 Mio. tCO2/Jahr, Pflanzenkohle, 140–270 US$/tCO2, 20–70 Mio. t CO2 pro Jahr für Dauerkulturen BECCS9.
Eine Kombination dieser Ansätze könnte möglicherweise das Ziel von 130 Mio. t CO2 pro Jahr erreichen, aber die Kosten für Gesteinsverwitterung und BECCS sind hoch, und Biokohle erfordert, obwohl relativ billig und nicht landnutzungsbedingt, Rohstoffe für den Biokohleproduktionsprozess.bietet diese Entwicklung und Anzahl für den Einsatz anderer GGR-Technologien an.
Anstatt an Land nach Lösungen zu suchen, suchen Sie nach Wasser, insbesondere nach einzelligen Phototrophen wie Mikroalgen und Cyanobakterien10.Algen (einschließlich Cyanobakterien) binden etwa 50 % des weltweiten Kohlendioxids, obwohl sie nur 1 % der weltweiten Biomasse ausmachen11.Cyanobakterien sind die ursprünglichen Biogeoingenieure der Natur und legen den Grundstein für den Atmungsstoffwechsel und die Entwicklung mehrzelligen Lebens durch sauerstoffhaltige Photosynthese12.Die Idee, Cyanobakterien zur Kohlenstoffbindung zu nutzen, ist nicht neu, aber innovative Methoden der physischen Platzierung eröffnen diesen uralten Organismen neue Horizonte.
Offene Teiche und Photobioreaktoren sind Standardanlagen bei der industriellen Nutzung von Mikroalgen und Cyanobakterien.Diese Kultursysteme verwenden eine Suspensionskultur, in der Zellen frei in einem Wachstumsmedium schwimmen14;Teiche und Photobioreaktoren haben jedoch viele Nachteile, wie z. B. einen schlechten CO2-Massentransport, eine intensive Nutzung von Land und Wasser, eine Anfälligkeit für Biofouling sowie hohe Bau- und Betriebskosten15,16.Biofilm-Bioreaktoren, die keine Suspensionskulturen verwenden, sind wasser- und platzsparender, bergen jedoch das Risiko von Schäden durch Austrocknung, neigen zur Ablösung des Biofilms (und damit zum Verlust aktiver Biomasse) und sind gleichermaßen anfällig für Biofouling17.
Es sind neue Ansätze erforderlich, um die CO2-Aufnahmerate zu erhöhen und die Probleme anzugehen, die Schlamm- und Biofilmreaktoren einschränken.Ein solcher Ansatz sind von Flechten inspirierte photosynthetische Biokomposite.Flechten sind ein Komplex aus Pilzen und Photobionten (Mikroalgen und/oder Cyanobakterien), die etwa 12 % der Landfläche der Erde bedecken18.Die Pilze sorgen für physische Unterstützung, Schutz und Verankerung des photobiotischen Substrats, das wiederum die Pilze mit Kohlenstoff versorgt (als überschüssige Photosyntheseprodukte).Bei dem vorgeschlagenen Biokomposit handelt es sich um ein „Flechten-Mimetikum“, bei dem eine konzentrierte Population von Cyanobakterien in Form einer dünnen Biobeschichtung auf einem Trägersubstrat immobilisiert wird.Die Biobeschichtung enthält neben Zellen eine Polymermatrix, die den Pilz ersetzen kann.Polymeremulsionen oder „Latexe“ auf Wasserbasis werden bevorzugt, da sie biokompatibel, langlebig, kostengünstig, einfach zu handhaben und im Handel erhältlich sind19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Die Fixierung von Zellen mit Latexpolymeren wird stark von der Zusammensetzung des Latex und dem Prozess der Filmbildung beeinflusst.Die Emulsionspolymerisation ist ein heterogener Prozess zur Herstellung von Synthesekautschuk, Klebebeschichtungen, Dichtstoffen, Betonzusatzstoffen, Papier- und Textilbeschichtungen sowie Latexfarben27.Es bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Polymerisationsmethoden, wie z. B. eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und Monomerumwandlungseffizienz sowie eine einfache Produktkontrolle27,28.Die Wahl der Monomere hängt von den gewünschten Eigenschaften des resultierenden Polymerfilms ab, und bei gemischten Monomersystemen (d. h. Copolymerisationen) können die Eigenschaften des Polymers durch Auswahl unterschiedlicher Verhältnisse der Monomere, die das resultierende Polymermaterial bilden, verändert werden.Butylacrylat und Styrol gehören zu den häufigsten Acryllatexmonomeren und werden hier verwendet.Darüber hinaus werden häufig Koaleszenzmittel (z. B. Texanol) verwendet, um eine gleichmäßige Filmbildung zu fördern, wobei sie die Eigenschaften des Polymerlatex verändern können, um eine starke und „kontinuierliche“ (koaleszierende) Beschichtung zu erzeugen.In unserer ersten Proof-of-Concept-Studie wurde ein 3D-Biokomposit mit großer Oberfläche und hoher Porosität unter Verwendung einer handelsüblichen Latexfarbe hergestellt, die auf einen Luffaschwamm aufgetragen wurde.Nach langen und kontinuierlichen Manipulationen (acht Wochen) zeigte das Biokomposit eine begrenzte Fähigkeit, Cyanobakterien auf dem Luffa-Gerüst zurückzuhalten, da das Zellwachstum die strukturelle Integrität des Latex schwächte.In der aktuellen Studie wollten wir eine Reihe von Acryllatexpolymeren mit bekannter Chemie für den kontinuierlichen Einsatz in Kohlenstoffabscheidungsanwendungen entwickeln, ohne den Polymerabbau zu beeinträchtigen.Damit haben wir die Fähigkeit unter Beweis gestellt, flechtenähnliche Polymermatrixelemente zu erzeugen, die im Vergleich zu bewährten Biokompositen eine verbesserte biologische Leistung und eine deutlich erhöhte mechanische Elastizität bieten.Eine weitere Optimierung wird die Aufnahme von Biokompositen zur Kohlenstoffabscheidung beschleunigen, insbesondere in Kombination mit Cyanobakterien, die metabolisch verändert wurden, um die CO2-Sequestrierung zu verbessern.
Neun Latices mit drei Polymerformulierungen (H = „hart“, N = „normal“, S = „weich“) und drei Arten von Texanol (0, 4, 12 % v/v) wurden auf Toxizität und Belastungskorrelation getestet.Klebstoff.aus zwei Cyanobakterien.Der Latextyp hatte einen signifikanten Einfluss auf S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare-Test, Latex: DF=2, H=23,157, P=<0,001) und CCAP 1479/1A (Zwei-Wege-ANOVA, Latex: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (Abb. 1a).Die Konzentration von Texanol hatte keinen signifikanten Einfluss auf das Wachstum von S. elongatus PCC 7942, nur N-Latex war ungiftig (Abb. 1a) und 0 N und 4 N hielten das Wachstum von 26 % bzw. 35 % aufrecht (Mann- Whitney U, 0 N vs. 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N vs. Kontrolle: W = 25,0, P = 0,061; 4 N vs. Kontrolle: W = 25,0, P = 0,061) und 12 N hielten das Wachstum vergleichbar zur biologischen Kontrolle (Mann-Whitney University, 12 N vs. Kontrolle: W = 17,0, P = 0,885).Für S. elongatus CCAP 1479/1A waren sowohl die Latexmischung als auch die Texanolkonzentration wichtige Faktoren, und es wurde eine signifikante Wechselwirkung zwischen beiden beobachtet (Zwei-Wege-ANOVA, Latex: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Texanol : DF=2, F=5,96, P=0,01, Latex*Texanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N und alle „weichen“ Latices förderten das Wachstum (Abb. 1a).Es besteht die Tendenz, das Wachstum mit abnehmender Styrolzusammensetzung zu verbessern.
Toxizitäts- und Adhäsionstests von Cyanobakterien (Synechococcus elongatus PCC 7942 und CCAP 1479/1A) an Latexformulierungen, Beziehung zur Glasübergangstemperatur (Tg) und Entscheidungsmatrix basierend auf Toxizitäts- und Adhäsionsdaten.(a) Der Toxizitätstest wurde anhand separater Diagramme des prozentualen Wachstums von Cyanobakterien durchgeführt, die auf Kontrollsuspensionskulturen normalisiert wurden.Mit * gekennzeichnete Behandlungen unterscheiden sich deutlich von den Kontrollen.(b) Cyanobakterien-Wachstumsdaten im Vergleich zu Tg-Latex (Mittelwert ± SD; n = 3).(c) Die kumulative Anzahl von Cyanobakterien, die aus dem Biokomposit-Adhäsionstest freigesetzt wurden.(d) Adhäsionsdaten im Vergleich zur Tg des Latex (Mittelwert ± StDev; n = 3).e Entscheidungsmatrix basierend auf Toxizitäts- und Adhäsionsdaten.Das Verhältnis von Styrol zu Butylacrylat beträgt 1:3 für „harten“ (H) Latex, 1:1 für „normalen“ (N) und 3:1 für „weichen“ (S).Die vorherigen Zahlen im Latexcode entsprechen dem Gehalt an Texanol.
In den meisten Fällen nahm die Lebensfähigkeit der Zellen mit zunehmender Texanolkonzentration ab, es gab jedoch keine signifikante Korrelation für einen der Stämme (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).Auf Abb.1b zeigt den Zusammenhang zwischen Zellwachstum und Glasübergangstemperatur (Tg).Es besteht eine starke negative Korrelation zwischen der Texanol-Konzentration und den Tg-Werten (H-Latex: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-Latex: DF=7, r=-0,964, P=<0,001). ; S-Latex: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Die Daten zeigten, dass die optimale Tg für das Wachstum von S. elongatus PCC 7942 bei etwa 17 °C lag (Abbildung 1b), während S. elongatus CCAP 1479/1A eine Tg unter 0 °C bevorzugte (Abbildung 1b).Nur S. elongatus CCAP 1479/1A wies eine starke negative Korrelation zwischen Tg- und Toxizitätsdaten auf (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Alle Latices hatten eine gute Adhäsionsaffinität und keiner von ihnen setzte nach 72 Stunden mehr als 1 % der Zellen frei (Abb. 1c).Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den Latices der beiden Stämme von S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara-Test, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Strahlentest).– Hasentest, Latex*Texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Mit steigender Texanol-Konzentration werden mehr Zellen freigesetzt (Abbildung 1c).im Vergleich zu S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Abbildung 1d).Darüber hinaus gab es keinen statistischen Zusammenhang zwischen Tg und Zelladhäsion der beiden Stämme (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Bei beiden Stämmen waren „harte“ Latexpolymere unwirksam.Im Gegensatz dazu schnitten 4N und 12N am besten gegen S. elongatus PCC 7942 ab, während 4S und 12S gegen CCAP 1479/1A am besten abschnitten (Abb. 1e), obwohl eindeutig Raum für eine weitere Optimierung der Polymermatrix besteht.Diese Polymere wurden in Semi-Batch-Tests zur Netto-CO2-Aufnahme verwendet.
Die Photophysiologie wurde 7 Tage lang unter Verwendung von in einer wässrigen Latexzusammensetzung suspendierten Zellen überwacht.Im Allgemeinen nehmen sowohl die scheinbare Photosyntheserate (PS) als auch die maximale PSII-Quantenausbeute (Fv/Fm) mit der Zeit ab, diese Abnahme ist jedoch ungleichmäßig und einige PS-Datensätze zeigen eine zweiphasige Reaktion, was auf eine teilweise Reaktion hindeutet, obwohl eine Erholung in Echtzeit erfolgt kürzere PS-Aktivität (Abb. 2a und 3b).Die biphasische Fv/Fm-Reaktion war weniger ausgeprägt (Abbildungen 2b und 3b).
(a) Scheinbare Photosyntheserate (PS) und (b) maximale PSII-Quantenausbeute (Fv/Fm) von Synechococcus elongatus PCC 7942 als Reaktion auf Latexformulierungen im Vergleich zu Kontrollsuspensionskulturen.Das Verhältnis von Styrol zu Butylacrylat beträgt 1:3 für „harten“ (H) Latex, 1:1 für „normalen“ (N) und 3:1 für „weichen“ (S).Die vorherigen Zahlen im Latexcode entsprechen dem Gehalt an Texanol.(Mittelwert ± Standardabweichung; n = 3).
(a) Scheinbare Photosyntheserate (PS) und (b) maximale PSII-Quantenausbeute (Fv/Fm) von Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A als Reaktion auf Latexformulierungen im Vergleich zu Kontrollsuspensionskulturen.Das Verhältnis von Styrol zu Butylacrylat beträgt 1:3 für „harten“ (H) Latex, 1:1 für „normalen“ (N) und 3:1 für „weichen“ (S).Die vorherigen Zahlen im Latexcode entsprechen dem Gehalt an Texanol.(Mittelwert ± Standardabweichung; n = 3).
Bei S. elongatus PCC 7942 hatten die Latexzusammensetzung und die Texanolkonzentration keinen Einfluss auf PS im Zeitverlauf (GLM, Latex*Texanol*Zeit, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), obwohl die Zusammensetzung ein wichtiger Faktor war (GLM)., Latex*zeit, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Abb. 2a).Es gab keine signifikante Auswirkung der Texanol-Konzentration über die Zeit (GLM, Texanol*Zeit, DF=14, F=1,63, P=0,078).Es gab eine signifikante Wechselwirkung mit Einfluss auf Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Zeit, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Die Wechselwirkung zwischen Latexformulierung und Texanol-Konzentration hatte einen signifikanten Einfluss auf Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Jeder Parameter beeinflusst auch Fv/Fm im Laufe der Zeit (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 und Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Latex 12H behielt die niedrigsten durchschnittlichen PS- und Fv/Fm-Werte bei (Abb. 2b), was darauf hindeutet, dass dieses Polymer toxischer ist.
PS von S. elongatus CCAP 1479/1A war signifikant unterschiedlich (GLM, Latex * Texanol * Zeit, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), wobei die Latexzusammensetzung eher als die Texanolkonzentration (GLM, Latex * Zeit, DF) war =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*Zeit, DF=14, F=1,26, P=0,239).Die „weichen“ Polymere 0S und 4S behielten etwas höhere PS-Leistungen bei als Kontrollsuspensionen (Mann-Whitney U, 0S gegenüber Kontrollen, W = 686,0, P = 0,044, 4S gegenüber Kontrollen, W = 713, P = 0,01) und behielten eine bei verbesserte Fv./Fm (Abb. 3a) zeigt einen effizienteren Transport zum Photosystem II.Bei den Fv/Fm-Werten von CCAP 1479/1A-Zellen gab es einen signifikanten Latexunterschied über die Zeit (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Abbildung 3b).).
Auf Abb.4 zeigt den durchschnittlichen PS- und Fv/Fm-Wert über einen Zeitraum von 7 Tagen als Funktion des Zellwachstums für jeden Stamm.S. elongatus PCC 7942 wies kein klares Muster auf (Abb. 4a und b), CCAP 1479/1A zeigte jedoch eine parabolische Beziehung zwischen PS-Werten (Abb. 4c) und Fv/Fm-Werten (Abb. 4d). Die Verhältnisse von Styrol und Butylacrylat nehmen mit der Änderung zu.
Zusammenhang zwischen Wachstum und Photophysiologie von Synechococcus longum auf Latexpräparaten.(a) Toxizitätsdaten aufgetragen gegen die scheinbare Photosyntheserate (PS), (b) maximale PSII-Quantenausbeute (Fv/Fm) von PCC 7942. c Toxizitätsdaten aufgetragen gegen PS und d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Das Verhältnis von Styrol zu Butylacrylat beträgt 1:3 für „harten“ (H) Latex, 1:1 für „normalen“ (N) und 3:1 für „weichen“ (S).Die vorherigen Zahlen im Latexcode entsprechen dem Gehalt an Texanol.(Mittelwert ± Standardabweichung; n = 3).
Das Biokomposit PCC 7942 hatte eine begrenzte Wirkung auf die Zellretention mit erheblicher Zellauswaschung während der ersten vier Wochen (Abbildung 5).Nach der Anfangsphase der CO2-Aufnahme begannen mit 12 N Latex fixierte Zellen, CO2 freizusetzen, und dieses Muster hielt zwischen dem 4. und 14. Tag an (Abb. 5b).Diese Daten stimmen mit Beobachtungen von Pigmentverfärbungen überein.Die Netto-CO2-Aufnahme begann wieder ab Tag 18. Trotz der Zellfreisetzung (Abb. 5a) akkumulierte das PCC 7942 12 N-Biokomposit über 28 Tage hinweg immer noch mehr CO2 als die Kontrollsuspension, wenn auch geringfügig (Mann-Whitney U-Test, W = 2275,5; P = 0,066).Die Absorptionsrate von CO2 durch Latex 12 N und 4 N beträgt 0,51 ± 0,34 bzw. 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 Biomasse d-1.Es gab einen statistisch signifikanten Unterschied zwischen Behandlung und Zeitniveau (Chairer-Ray-Hare-Test, Behandlung: DF=2, H=70,62, P=<0,001 Zeit: DF=13, H=23,63, P=0,034), aber es war nicht.Es gab einen signifikanten Zusammenhang zwischen Behandlung und Zeit (Chairer-Ray-Har-Test, Zeit*Behandlung: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Halbchargen-CO2-Aufnahmetests an Synechococcus elongatus PCC 7942-Biokompositen unter Verwendung von 4N- und 12N-Latex.(a) Bilder zeigen Zellfreisetzung und Pigmentverfärbung sowie REM-Bilder des Biokomposits vor und nach dem Test.Weiße gepunktete Linien zeigen die Orte der Zellablagerung auf dem Biokomposit an.(b) Kumulierte Netto-CO2-Aufnahme über einen Zeitraum von vier Wochen.„Normaler“ (N)-Latex hat ein Verhältnis von Styrol zu Butylacrylat von 1:1.Die vorherigen Zahlen im Latexcode entsprechen dem Gehalt an Texanol.(Mittelwert ± Standardabweichung; n = 3).
Die Zellretention wurde für den Stamm CCAP 1479/1A mit 4S und 12S deutlich verbessert, obwohl das Pigment im Laufe der Zeit langsam seine Farbe änderte (Abb. 6a).Biocomposite CCAP 1479/1A absorbiert CO2 für volle 84 Tage (12 Wochen) ohne zusätzliche Nahrungsergänzungsmittel.Die SEM-Analyse (Abb. 6a) bestätigte die visuelle Beobachtung der Ablösung kleiner Zellen.Ursprünglich waren die Zellen von einer Latexbeschichtung umgeben, die trotz Zellwachstums ihre Integrität beibehielt.Die CO2-Aufnahmerate war signifikant höher als in der Kontrollgruppe (Scheirer-Ray-Har-Test, Behandlung: DF=2; H=240,59; P=<0,001, Zeit: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Abb. 6b).Das 12S-Biokomposit erreichte die höchste CO2-Aufnahme (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 Biomasse pro Tag), während das 4S-Latex 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 Biomasse pro Tag erreichte, sie unterschieden sich jedoch nicht signifikant (Mann-Whitney U . Test, W = 1507,50; P = 0,07) und keine signifikante Interaktion zwischen Behandlung und Zeit (Shirer-Rey-Hara-Test, Zeit * Behandlung: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
CO2-Aufnahmetest in einer halben Charge unter Verwendung von Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A-Biokompositen mit 4N- und 12N-Latex.(a) Bilder zeigen Zellfreisetzung und Pigmentverfärbung sowie REM-Bilder des Biokomposits vor und nach dem Test.Weiße gepunktete Linien zeigen die Orte der Zellablagerung auf dem Biokomposit an.(b) Kumulierte Netto-CO2-Aufnahme über den Zeitraum von zwölf Wochen.„Weicher“ (S) Latex hat ein Verhältnis von Styrol zu Butylacrylat von 1:1.Die vorherigen Zahlen im Latexcode entsprechen dem Gehalt an Texanol.(Mittelwert ± Standardabweichung; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har-Test, Zeit*Behandlung: DF=4, H=3,243, P=0,518) oder Biokomposit S. elongatus CCAP 1479/1A (zwei-ANOVA, Zeit*Behandlung: DF=8). , F = 1,79, P = 0,119) (Abb. S4).Biokomposit PCC 7942 hatte in Woche 2 den höchsten Kohlenhydratgehalt (4 N = 59,4 ± 22,5 Gew.-%, 12 N = 67,9 ± 3,3 Gew.-%), während die Kontrollsuspension in Woche 4 den höchsten Kohlenhydratgehalt aufwies (Kontrolle = 59,6 ± 2,84 %). w/w).Der Gesamtkohlenhydratgehalt des CCAP 1479/1A-Biokomposits war mit der Kontrollsuspension vergleichbar, außer zu Beginn des Versuchs, mit einigen Veränderungen im 12S-Latex in Woche 4. Die höchsten Werte für das Biokomposit lagen bei 51,9 ± 9,6 Gew.-% für 4S und 77,1 ± 17,0 Gew.-% für 12S.
Unser Ziel war es, Designmöglichkeiten zur Verbesserung der strukturellen Integrität von Dünnfilm-Latex-Polymerbeschichtungen als wichtigen Bestandteil des Flechten-Mimik-Biokomposit-Konzepts aufzuzeigen, ohne die Biokompatibilität oder Leistung zu beeinträchtigen.Wenn die mit dem Zellwachstum verbundenen strukturellen Herausforderungen überwunden werden, erwarten wir tatsächlich erhebliche Leistungsverbesserungen gegenüber unseren experimentellen Biokompositen, die bereits mit anderen Kohlenstoffabscheidungssystemen für Cyanobakterien und Mikroalgen vergleichbar sind.
Beschichtungen müssen ungiftig und langlebig sein, eine langfristige Zelladhäsion unterstützen und porös sein, um einen effizienten CO2-Massentransfer und eine O2-Entgasung zu fördern.Acrylpolymere vom Latextyp sind einfach herzustellen und werden häufig in der Farben-, Textil- und Klebstoffindustrie verwendet30.Wir kombinierten Cyanobakterien mit einer wasserbasierten Acryllatex-Polymeremulsion, die mit einem spezifischen Verhältnis von Styrol/Butylacrylat-Partikeln und verschiedenen Konzentrationen von Texanol polymerisiert wurde.Styrol und Butylacrylat wurden ausgewählt, um die physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Elastizität und Koaleszenzeffizienz der Beschichtung (entscheidend für eine starke und stark haftende Beschichtung), steuern zu können und die Synthese von „harten“ und „weichen“ Partikelaggregaten zu ermöglichen.Toxizitätsdaten deuten darauf hin, dass „harter“ Latex mit einem hohen Styrolgehalt dem Überleben von Cyanobakterien nicht förderlich ist.Im Gegensatz zu Butylacrylat gilt Styrol als algengiftig32,33.Cyanobakterienstämme reagierten ganz anders auf Latex, und die optimale Glasübergangstemperatur (Tg) wurde für S. elongatus PCC 7942 bestimmt, während S. elongatus CCAP 1479/1A eine negative lineare Beziehung zur Tg zeigte.
Die Trocknungstemperatur beeinflusst die Fähigkeit, einen kontinuierlichen, gleichmäßigen Latexfilm zu bilden.Wenn die Trocknungstemperatur unter der minimalen Filmbildungstemperatur (MFFT) liegt, verschmelzen die Polymerlatexpartikel nicht vollständig, was zu einer Haftung nur an der Partikelgrenzfläche führt.Die resultierenden Filme haben eine schlechte Haftung und mechanische Festigkeit und können sogar in Pulverform vorliegen29.MFFT steht in engem Zusammenhang mit Tg, der durch die Monomerzusammensetzung und die Zugabe von Koaleszenzmitteln wie Texanol gesteuert werden kann.Tg bestimmt viele der physikalischen Eigenschaften der resultierenden Beschichtung, die in einem gummiartigen oder glasartigen Zustand vorliegen kann34.Gemäß der Flory-Fox-Gleichung35 hängt die Tg von der Art des Monomers und der relativen prozentualen Zusammensetzung ab.Die Zugabe von Koaleszenzmittel kann die MFFT durch intermittierende Unterdrückung der Tg der Latexpartikel senken, was die Filmbildung bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht, aber immer noch eine harte und starke Beschichtung bildet, da das Koaleszenzmittel mit der Zeit langsam verdunstet oder extrahiert wurde 36 .
Eine Erhöhung der Texanol-Konzentration fördert die Filmbildung durch Erweichen der Polymerpartikel (Reduzierung der Tg) aufgrund der Absorption durch die Partikel während des Trocknens, wodurch die Festigkeit des kohäsiven Films und die Zelladhäsion erhöht werden.Da das Biokomposit bei Umgebungstemperatur (~18–20 °C) getrocknet wird, ist die Tg (30 bis 55 °C) des „harten“ Latex höher als die Trocknungstemperatur, was bedeutet, dass die Partikelkoaleszenz möglicherweise nicht optimal ist, was zu … B-Filme, die glasartig bleiben, schlechte mechanische und adhäsive Eigenschaften sowie eine eingeschränkte Elastizität und Diffusionsfähigkeit30 führen letztendlich zu einem größeren Zellverlust.Die Filmbildung aus „normalen“ und „weichen“ Polymeren erfolgt bei oder unterhalb der Tg des Polymerfilms, und die Filmbildung wird durch verbesserte Koaleszenz verbessert, was zu kontinuierlichen Polymerfilmen mit verbesserten mechanischen, kohäsiven und adhäsiven Eigenschaften führt.Der resultierende Film bleibt während CO2-Abscheidungsexperimenten gummiartig, da seine Tg nahe („normale“ Mischung: 12 bis 20 °C) oder viel niedriger („weiche“ Mischung: -21 bis -13 °C) der Umgebungstemperatur liegt30.„Harter“ Latex (3,4 bis 2,9 kgf mm–1) ist dreimal härter als „normaler“ Latex (1,0 bis 0,9 kgf mm–1).Die Härte „weicher“ Latices kann aufgrund ihrer übermäßigen Gummiigkeit und Klebrigkeit bei Raumtemperatur nicht anhand der Mikrohärte gemessen werden.Die Oberflächenladung kann sich auch auf die Adhäsionsaffinität auswirken, es sind jedoch weitere Daten erforderlich, um aussagekräftige Informationen bereitzustellen.Allerdings hielten alle Latices die Zellen effektiv zurück und setzten weniger als 1 % frei.
Die Produktivität der Photosynthese nimmt mit der Zeit ab.Die Exposition gegenüber Polystyrol führt zu Membranstörungen und oxidativem Stress38,39,40,41.Die Fv/Fm-Werte von S. elongatus CCAP 1479/1A, die 0S und 4S ausgesetzt waren, waren im Vergleich zur Suspensionskontrolle fast doppelt so hoch, was gut mit der CO2-Aufnahmerate des 4S-Biokomposits sowie mit übereinstimmt niedrigere mittlere PS-Werte.Werte.Höhere Fv/Fm-Werte weisen darauf hin, dass der Elektronentransport zum PSII möglicherweise mehr Photonen42 liefert, was zu höheren CO2-Fixierungsraten führen kann.Es ist jedoch zu beachten, dass photophysiologische Daten von in wässrigen Latexlösungen suspendierten Zellen gewonnen wurden und nicht unbedingt direkt mit ausgereiften Biokompositen vergleichbar sind.
Wenn Latex eine Barriere für den Licht- und/oder Gasaustausch bildet, was zu einer Licht- und CO2-Einschränkung führt, kann es zellulären Stress verursachen und die Leistung verringern, und wenn es die O2-Freisetzung beeinträchtigt, kann es zu einer Photorespiration kommen39.Die Lichtdurchlässigkeit der ausgehärteten Beschichtungen wurde bewertet: „harter“ Latex zeigte eine leichte Abnahme der Lichtdurchlässigkeit zwischen 440 und 480 nm (teilweise verbessert durch Erhöhung der Texanol-Konzentration aufgrund verbesserter Filmkoaleszenz), während „weicher“ und „regelmäßiger“ Latex eine leichte Abnahme der Lichtdurchlässigkeit zwischen 440 und 480 nm zeigte „Latex zeigte eine leichte Abnahme der Lichtdurchlässigkeit.zeigt keinen merklichen Verlustverlust.Die Tests sowie alle Inkubationen wurden bei geringer Lichtintensität (30,5 µmol m-2 s-1) durchgeführt, sodass jegliche photosynthetisch aktive Strahlung aufgrund der Polymermatrix kompensiert wird und sogar zur Verhinderung der Photoinhibition beitragen kann.bei schädlichen Lichtintensitäten.
Das Biokomposit CCAP 1479/1A funktionierte während der 84 Testtage ohne Nährstoffumsatz oder nennenswerten Verlust an Biomasse, was ein Hauptziel der Studie ist.Die Depigmentierung der Zellen kann mit einem Chloroseprozess als Reaktion auf Stickstoffmangel verbunden sein, um ein langfristiges Überleben (Ruhezustand) zu erreichen, was dazu beitragen kann, dass die Zellen ihr Wachstum wieder aufnehmen, nachdem eine ausreichende Stickstoffanreicherung erreicht wurde.Die REM-Bilder bestätigten, dass die Zellen trotz Zellteilung innerhalb der Beschichtung blieben, was die Elastizität des „weichen“ Latex belegte und damit einen klaren Vorteil gegenüber der experimentellen Version darstellte.„Weicher“ Latex enthält etwa 70 % Butylacrylat (nach Gewicht), was viel höher ist als die angegebene Konzentration für eine flexible Beschichtung nach dem Trocknen44.
Die Nettoaufnahme von CO2 war deutlich höher als die der Kontrollsuspension (14–20 bzw. 3–8 Mal höher für S. elongatus CCAP 1479/1A bzw. PCC 7942).Zuvor haben wir ein CO2-Massentransfermodell verwendet, um zu zeigen, dass der Hauptgrund für eine hohe CO2-Aufnahme ein starker CO2-Konzentrationsgradient an der Oberfläche des Biokomposits ist31 und dass die Leistung des Biokomposits durch den Widerstand gegen den Massentransfer eingeschränkt werden kann.Dieses Problem kann gelöst werden, indem ungiftige, nicht filmbildende Inhaltsstoffe in den Latex eingearbeitet werden, um die Porosität und Durchlässigkeit der Beschichtung zu erhöhen26. Die Zellretention kann jedoch beeinträchtigt werden, da diese Strategie unweigerlich zu einem schwächeren Film führt20.Die chemische Zusammensetzung kann während der Polymerisation geändert werden, um die Porosität zu erhöhen, was insbesondere im Hinblick auf die industrielle Produktion und Skalierbarkeit die beste Option ist45.
Die Leistung des neuen Biokomposits im Vergleich zu neueren Studien mit Biokompositen aus Mikroalgen und Cyanobakterien zeigte Vorteile bei der Anpassung der Zellbeladungsrate (Tabelle 1)21,46 und bei längeren Analysezeiten (84 Tage gegenüber 15 Stunden46 und 3 Wochen21).
Der volumetrische Gehalt an Kohlenhydraten in Zellen schneidet im Vergleich zu anderen Studien47,48,49,50 mit Cyanobakterien gut ab und wird als potenzielles Kriterium für Anwendungen zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung/-rückgewinnung verwendet, beispielsweise für BECCS-Fermentationsprozesse49,51 oder zur Herstellung biologisch abbaubarer Stoffe Biokunststoffe52 .Als Teil der Begründung dieser Studie gehen wir davon aus, dass Aufforstung, selbst wenn sie im BECCS-Konzept für negative Emissionen berücksichtigt wird, kein Allheilmittel für den Klimawandel ist und einen alarmierenden Anteil des weltweiten Ackerlandes verbraucht6.Als Gedankenexperiment wurde geschätzt, dass bis zum Jahr 2100 zwischen 640 und 950 Gt CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden müssten, um den globalen Temperaturanstieg auf 1,5 °C zu begrenzen53 (etwa 8 bis 12 Gt CO2 pro Jahr).Um dies mit einem leistungsstärkeren Biokomposit (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 Biomasse pro Jahr-1) zu erreichen, wäre eine Volumenerweiterung von 5,5 × 1010 auf 8,2 × 1010 m3 (bei vergleichbarer Photosyntheseeffizienz) erforderlich, die 196 bis 2,92 Milliarden Liter enthält Polymer.Unter der Annahme, dass 1 m3 Biokomposite 1 m2 Landfläche einnehmen, beträgt die Fläche, die zur Absorption des angestrebten jährlichen Gesamt-CO2 erforderlich ist, zwischen 5,5 und 8,17 Millionen Hektar, was 0,18–0,27 % der für die Lebensdauer geeigneten Flächen in der Region entspricht Tropen und verringern die Landfläche.Bedarf an BECCS um 98-99 %.Es ist zu beachten, dass das theoretische Einfangverhältnis auf der bei schwachem Licht aufgezeichneten CO2-Absorption basiert.Sobald das Biokomposit intensiverem natürlichem Licht ausgesetzt wird, erhöht sich die CO2-Aufnahmerate, was den Flächenbedarf weiter reduziert und den Ausschlag für das Biokomposit-Konzept gibt.Für eine konstante Intensität und Dauer der Hintergrundbeleuchtung muss die Implementierung jedoch am Äquator erfolgen.
Der globale Effekt der CO2-Düngung, also die Steigerung der Vegetationsproduktivität durch erhöhte CO2-Verfügbarkeit, ist auf den meisten Landflächen zurückgegangen, wahrscheinlich aufgrund von Veränderungen der wichtigsten Bodennährstoffe (N und P) und Wasserressourcen7.Dies bedeutet, dass die terrestrische Photosynthese trotz erhöhter CO2-Konzentrationen in der Luft möglicherweise nicht zu einer Erhöhung der CO2-Aufnahme führt.In diesem Zusammenhang sind bodengestützte Strategien zur Eindämmung des Klimawandels wie BECCS noch weniger wahrscheinlich erfolgreich.Wenn sich dieses globale Phänomen bestätigt, könnte unser von Flechten inspiriertes Biokomposit ein entscheidender Vorteil sein und einzellige aquatische photosynthetische Mikroben in „Bodenagenten“ verwandeln.Die meisten Landpflanzen binden CO2 durch C3-Photosynthese, während C4-Pflanzen wärmere, trockenere Lebensräume bevorzugen und bei höheren CO254-Partialdrücken effizienter sind.Cyanobakterien bieten eine Alternative, die die alarmierenden Vorhersagen einer verringerten Kohlendioxidbelastung in C3-Pflanzen zunichte machen könnte.Cyanobakterien haben die Einschränkungen der Photorespiration überwunden, indem sie einen effizienten Kohlenstoffanreicherungsmechanismus entwickelt haben, bei dem durch Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (RuBisCo) in den Carboxysomen um sie herum höhere CO2-Partialdrücke erzeugt und aufrechterhalten werden.Wenn die Produktion von Cyanobakterien-Biokompositen gesteigert werden kann, könnten diese zu einer wichtigen Waffe der Menschheit im Kampf gegen den Klimawandel werden.
Biokomposite (Flechtennachahmer) bieten klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Mikroalgen- und Cyanobakterien-Suspensionskulturen, da sie höhere CO2-Aufnahmeraten ermöglichen, das Verschmutzungsrisiko minimieren und eine wettbewerbsfähige CO2-Vermeidung versprechen.Die Kosten verringern den Verbrauch von Land, Wasser und Nährstoffen erheblich56.Diese Studie zeigt die Machbarkeit der Entwicklung und Herstellung eines hochleistungsfähigen biokompatiblen Latex, der in Kombination mit einem Luffaschwamm als mögliches Substrat eine effiziente und effektive CO2-Aufnahme über Monate hinweg bei chirurgischen Eingriffen ermöglichen und gleichzeitig den Zellverlust auf ein Minimum beschränken kann.Biokomposite könnten theoretisch etwa 570 t CO2 t-1 Biomasse pro Jahr einfangen und könnten sich bei unserer Reaktion auf den Klimawandel als wichtiger erweisen als BECCS-Aufforstungsstrategien.Mit einer weiteren Optimierung der Polymerzusammensetzung, Tests bei höheren Lichtintensitäten und in Kombination mit aufwändiger Stoffwechseltechnik können die ursprünglichen Biogeoingenieure der Natur erneut zur Rettung kommen.
Acryllatexpolymere wurden unter Verwendung einer Mischung aus Styrolmonomeren, Butylacrylat und Acrylsäure hergestellt und der pH-Wert wurde mit 0,1 M Natriumhydroxid auf 7 eingestellt (Tabelle 2).Styrol und Butylacrylat bilden den Großteil der Polymerketten, während Acrylsäure dabei hilft, die Latexpartikel in Suspension zu halten57.Die strukturellen Eigenschaften von Latex werden durch die Glasübergangstemperatur (Tg) bestimmt, die durch die Änderung des Verhältnisses von Styrol und Butylacrylat gesteuert wird, was für „harte“ bzw. „weiche“ Eigenschaften sorgt58.Ein typisches Acryllatexpolymer besteht aus 50:50 Styrol:Butylacrylat 30, daher wurde in dieser Studie Latex mit diesem Verhältnis als „normaler“ Latex und Latex mit einem höheren Styrolgehalt als Latex mit einem niedrigeren Styrolgehalt bezeichnet .„weich“ als „hart“ bezeichnet.
Zur Stabilisierung der 30 Monomertröpfchen wurde eine Primäremulsion unter Verwendung von destilliertem Wasser (174 g), Natriumbicarbonat (0,5 g) und dem Tensid Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) hergestellt.Unter Verwendung einer Glasspritze (Science Glass Engineering) mit Spritzenpumpe wurde ein sekundäres Aliquot, das in Tabelle 2 aufgeführte Styrol-, Butylacrylat- und Acrylsäure enthielt, tropfenweise mit einer Geschwindigkeit von 100 ml h-1 zur Primäremulsion über 4 Stunden zugegeben (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Bereiten Sie eine Lösung des Polymerisationsinitiators 59 mit dHO und Ammoniumpersulfat (100 ml, 3 % w/w) vor.
Rühren Sie die Lösung, die dHO (206 g), Natriumbicarbonat (1 g) und Rhodapex Ab/20 (4,42 g) enthält, mit einem Überkopfrührer (Heidolph Hei-TORQUE-Wert 100) mit einem Edelstahlpropeller um und erhitzen Sie sie in einem Behälter auf 82 °C Gefäß mit Wassermantel in einem beheizten Wasserbad VWR Scientific 1137P.Eine gewichtsreduzierte Lösung aus Monomer (28,21 g) und Initiator (20,60 g) wurde tropfenweise in das ummantelte Gefäß gegeben und 20 Minuten lang gerührt.Mischen Sie die restlichen Monomer- (150 ml h-1) und Initiatorlösungen (27 ml h-1) kräftig, um die Partikel in Suspension zu halten, bis sie über 5 Stunden mit 10-ml-Spritzen bzw. 100-ml-Spritzen in den Wassermantel gegeben werden .komplettiert mit einer Spritzenpumpe.Aufgrund der Vergrößerung des Aufschlämmungsvolumens wurde die Rührgeschwindigkeit erhöht, um die Retention der Aufschlämmung sicherzustellen.Nach Zugabe des Initiators und der Emulsion wurde die Reaktionstemperatur auf 85 °C erhöht, 30 Minuten lang bei 450 U/min gut gerührt und dann auf 65 °C abgekühlt.Nach dem Abkühlen wurden dem Latex zwei Verdrängungslösungen zugesetzt: tert-Butylhydroperoxid (t-BHP) (70 % in Wasser) (5 g, 14 Gew.-%) und Isoascorbinsäure (5 g, 10 Gew.-%)..t-BHP tropfenweise zugeben und 20 Minuten einwirken lassen.Anschließend wurde mit einer Spritzenpumpe Erythorbinsäure mit einer Geschwindigkeit von 4 ml/h aus einer 10-ml-Spritze zugegeben.Die Latexlösung wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt und mit 0,1 M Natriumhydroxid auf pH 7 eingestellt.
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiolmonoisobutyrat (Texanol) – biologisch abbaubares Koaleszenzmittel mit geringer Toxizität für Latexfarben 37,60 – wurde mit einer Spritze und einer Pumpe in drei Volumina (0, 4, 12 % v/v) zugegeben. als Koaleszenzmittel für Latexmischungen, um die Filmbildung während des Trocknens zu erleichtern37.Der Latex-Feststoffanteil wurde bestimmt, indem 100 µl jedes Polymers in vorgewogene Aluminiumfolienkappen gegeben und 24 Stunden lang in einem Ofen bei 100 °C getrocknet wurden.
Zur Lichtdurchlässigkeit wurde jede Latexmischung mit einem Tropfenwürfel aus rostfreiem Stahl, der zur Herstellung von 100-µm-Filmen kalibriert war, auf einen Objektträger aufgetragen und 48 Stunden lang bei 20 °C getrocknet.Die Lichtdurchlässigkeit (fokussiert auf photosynthetisch aktive Strahlung, λ 400–700 nm) wurde auf einem ILT950 SpectriLight-Spektroradiometer mit einem Sensor in einem Abstand von 35 cm von einer 30-W-Leuchtstofflampe (Sylvania Luxline Plus, n = 6) gemessen – wo das Licht Quelle waren Cyanobakterien und Organismen. Verbundwerkstoffe bleiben erhalten.Mit der SpectrILight III-Softwareversion 3.5 wurden Beleuchtungsstärke und Transmission im Bereich λ 400–700 nm61 aufgezeichnet.Alle Proben wurden auf den Sensor gelegt und unbeschichtete Glasobjektträger wurden als Kontrollen verwendet.
Latexproben wurden in eine Silikonbackform gegeben und 24 Stunden lang trocknen gelassen, bevor sie auf Härte getestet wurden.Legen Sie die getrocknete Latexprobe auf eine Stahlkappe unter einem x10-Mikroskop.Nach der Fokussierung wurden die Proben auf einem Mikrohärteprüfer Buehler Micromet II bewertet.Die Probe wurde einer Kraft von 100 bis 200 Gramm ausgesetzt und die Belastungszeit auf 7 Sekunden eingestellt, um eine Diamantvertiefung in der Probe zu erzeugen.Der Druck wurde mit einem Bruker Alicona × 10-Mikroskopobjektiv mit zusätzlicher Formmesssoftware analysiert.Zur Berechnung der Härte jedes Latex wurde die Vickers-Härteformel (Gleichung 1) verwendet, wobei HV die Vickers-Zahl, F die ausgeübte Kraft und d der Durchschnitt der aus der Höhe und Breite des Latex berechneten Eindruckdiagonalen ist.Wert einrücken.„Weicher“ Latex kann aufgrund der Adhäsion und Dehnung beim Eindrucktest nicht gemessen werden.
Um die Glasübergangstemperatur (Tg) der Latexzusammensetzung zu bestimmen, wurden Polymerproben in Kieselgelschalen gegeben, 24 Stunden lang getrocknet, auf 0,005 g gewogen und in Probenschalen gegeben.Die Schale wurde verschlossen und in ein Differentialscanning-Kolorimeter (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, Pyris-Datenanalysesoftware) gestellt62.Die Wärmeflussmethode wird verwendet, um Referenzbecher und Probenbecher in denselben Ofen zu stellen, mit einem eingebauten Temperaturfühler zur Messung der Temperatur.Um eine gleichmäßige Kurve zu erzeugen, wurden insgesamt zwei Rampen verwendet.Die Probenmethode wurde wiederholt mit einer Geschwindigkeit von 20 °C pro Minute von -20 °C auf 180 °C erhöht.Jeder Start- und Endpunkt wird 1 Minute lang gespeichert, um Temperaturverzögerungen zu berücksichtigen.
Um die Fähigkeit des Biokomposits zur CO2-Absorption zu bewerten, wurden Proben auf die gleiche Weise wie in unserer vorherigen Studie31 vorbereitet und getestet.Der getrocknete und autoklavierte Waschlappen wurde in Streifen von etwa 1×1×5 cm geschnitten und gewogen.Tragen Sie 600 µl der beiden wirksamsten Biobeschichtungen jedes Cyanobakterienstamms auf ein Ende jedes Luffastreifens auf, bedecken Sie etwa 1 × 1 × 3 cm, und trocknen Sie ihn 24 Stunden lang im Dunkeln bei 20 °C.Aufgrund der makroporösen Struktur des Luffas wurde ein Teil der Formel verschwendet, sodass die Zellbeladungseffizienz nicht 100 % betrug.Um dieses Problem zu lösen, wurde das Gewicht der Trockenzubereitung auf dem Luffa bestimmt und auf die Referenz-Trockenzubereitung normiert.Auf ähnliche Weise wurden abiotische Kontrollen bestehend aus Luffa, Latex und sterilem Nährmedium hergestellt.
Um einen Halbchargen-CO2-Aufnahmetest durchzuführen, geben Sie das Biokomposit (n = 3) in ein 50-ml-Glasröhrchen, sodass ein Ende des Biokomposits (ohne Biobeschichtung) in Kontakt mit 5 ml Wachstumsmedium ist, damit der Nährstoff eindringen kann durch Kapillarwirkung transportiert werden..Die Flasche ist mit einem Butylkautschukkorken mit einem Durchmesser von 20 mm verschlossen und mit einer silbernen Aluminiumkappe verschlossen.Nach dem Verschließen 45 ml 5 % CO2/Luft mit einer sterilen Nadel injizieren, die an einer gasdichten Spritze befestigt ist.Die Zelldichte der Kontrollsuspension (n = 3) entsprach der Zelllast des Biokomposits im Nährmedium.Die Tests wurden bei 18 ± 2 °C mit einer Photoperiode von 16:8 und einer Photoperiode von 30,5 µmol m-2 s-1 durchgeführt.Der Kopfraum wurde alle zwei Tage mit einer gasdichten Spritze entfernt und mit einem CO2-Messgerät mit Infrarotabsorption GEOTech G100 analysiert, um den Prozentsatz des absorbierten CO2 zu bestimmen.Fügen Sie ein gleiches Volumen CO2-Gasgemisch hinzu.
% CO2 Fix wird wie folgt berechnet: % CO2 Fix = 5 % (v/v) – schreiben Sie %CO2 (Gleichung 2), wobei P = Druck, V = Volumen, T = Temperatur und R = ideale Gaskonstante.
Die gemeldeten CO2-Aufnahmeraten für Kontrollsuspensionen von Cyanobakterien und Biokompositen wurden auf nichtbiologische Kontrollen normalisiert.Die funktionelle Einheit von g Biomasse ist die Menge an trockener Biomasse, die auf dem Waschlappen immobilisiert ist.Sie wird durch Wiegen von Luffa-Proben vor und nach der Zellfixierung bestimmt.Berücksichtigung der Zellbeladungsmasse (Biomasseäquivalent) durch individuelles Wiegen der Präparate vor und nach dem Trocknen und durch Berechnung der Dichte des Zellpräparats (Gleichung 3).Es wird davon ausgegangen, dass die Zellpräparate während der Fixierung homogen sind.
Für die statistische Analyse wurden Minitab 18 und Microsoft Excel mit dem RealStatistics-Add-In verwendet.Die Normalität wurde mit dem Anderson-Darling-Test und die Varianzgleichheit mit dem Levene-Test getestet.Daten, die diese Annahmen erfüllen, wurden mithilfe der Zwei-Wege-Varianzanalyse (ANOVA) mit dem Tukey-Test als Post-hoc-Analyse analysiert.Bidirektionale Daten, die die Annahmen von Normalität und gleicher Varianz nicht erfüllten, wurden mithilfe des Shirer-Ray-Hara-Tests und anschließend des Mann-Whitney-U-Tests analysiert, um die Signifikanz zwischen den Behandlungen zu bestimmen.Für nicht normale Daten mit drei Faktoren wurden verallgemeinerte lineare gemischte (GLM) Modelle verwendet, wobei die Daten mithilfe der Johnson-Transformation63 transformiert wurden.Momentenkorrelationen von Pearson-Produkten wurden durchgeführt, um die Beziehung zwischen Texanol-Konzentration, Glasübergangstemperatur und Latextoxizitäts- und Adhäsionsdaten zu bewerten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 05.01.2023