بیوکامپوزیت های فتوسنتزی فعال برای بهبود ترسیب بیولوژیکی کربن توسعه یافته اند.

از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود CSS استفاده می کنید.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نشان می‌دهیم.
چرخ فلکی از سه اسلاید را همزمان نمایش می دهد.از دکمه های قبلی و بعدی برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید یا از دکمه های لغزنده در پایان برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید.
جذب و ذخیره کربن برای دستیابی به اهداف توافقنامه پاریس ضروری است.فتوسنتز فناوری طبیعت برای جذب کربن است.ما با الهام از گلسنگ ها، یک بیوکامپوزیت فتوسنتزی سیانوباکتری سه بعدی (یعنی شبیه گلسنگ) با استفاده از پلیمر لاتکس اکریلیک که روی اسفنج لوفا اعمال می شود، توسعه دادیم.نرخ جذب CO2 توسط بیوکامپوزیت 0.08 ± 1.57 گرم CO2 در گرم 1 زیست توده d-1 بود.نرخ جذب بر اساس زیست توده خشک در ابتدای آزمایش است و شامل CO2 مورد استفاده برای رشد زیست توده جدید و همچنین CO2 موجود در ترکیبات ذخیره سازی مانند کربوهیدرات ها است.این نرخ‌های جذب 14 تا 20 برابر بیشتر از اقدامات کنترل دوغاب بود و به طور بالقوه می‌توان آن را تا جذب 570 تن زیست‌توده CO2 T-1 در سال، معادل 5.5-8.17 × 106 هکتار از کاربری زمین افزایش داد و 8-12 GtCO2 را حذف کرد. CO2 در سالدر مقابل، انرژی زیستی جنگل با جذب و ذخیره کربن 0.4-1.2 × 109 هکتار است.بیوکامپوزیت به مدت 12 هفته بدون مواد مغذی یا آب اضافی فعال ماند و پس از آن آزمایش پایان یافت.در موضع فناورانه چند وجهی بشر برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی، بیوکامپوزیت های سیانوباکتری مهندسی شده و بهینه شده پتانسیل استقرار پایدار و مقیاس پذیر را برای افزایش حذف CO2 و کاهش تلفات آب، مواد مغذی و استفاده از زمین دارند.
تغییرات آب و هوایی یک تهدید واقعی برای تنوع زیستی جهانی، ثبات اکوسیستم و مردم است.برای کاهش بدترین اثرات آن، برنامه‌های کربن‌زدایی هماهنگ و در مقیاس بزرگ مورد نیاز است و البته به نوعی حذف مستقیم گازهای گلخانه‌ای از جو نیاز است.علیرغم کربن زدایی مثبت تولید برق2،3، در حال حاضر هیچ راه حل فن آوری پایدار اقتصادی برای کاهش دی اکسید کربن اتمسفر (CO2)4 وجود ندارد، اگرچه جذب گازهای دودکش در حال پیشرفت است.به‌جای راه‌حل‌های مهندسی مقیاس‌پذیر و عملی، مردم باید برای جذب کربن به مهندسان طبیعی مراجعه کنند - ارگانیسم‌های فتوسنتزی (جانداران فوتوتروف).فتوسنتز فناوری ترسیب کربن طبیعت است، اما توانایی آن در معکوس کردن غنی‌سازی کربن انسانی در مقیاس‌های زمانی معنی‌دار مشکوک است، آنزیم‌ها ناکارآمد هستند، و توانایی آن برای استقرار در مقیاس‌های مناسب مشکوک است.یک راه بالقوه برای فوتوتروفی، جنگل کاری است که درختان را برای انرژی زیستی با جذب و ذخیره کربن (BECCS) به عنوان یک فناوری انتشار منفی که می تواند به کاهش انتشار خالص CO21 کمک کند، قطع می کند.با این حال، برای دستیابی به هدف دمای توافق پاریس 1.5 درجه سانتی گراد با استفاده از BECCS به عنوان روش اصلی، 0.4 تا 1.2 × 109 هکتار، معادل 25-75٪ از زمین های قابل کشت فعلی جهانی نیاز دارد.علاوه بر این، عدم قطعیت مرتبط با اثرات جهانی لقاح CO2، کارایی کلی بالقوه مزارع جنگلی را زیر سوال می برد.اگر می‌خواهیم به اهداف دمایی تعیین‌شده در توافق پاریس برسیم، هر سال 100 ثانیه GtCO2 گازهای گلخانه‌ای (GGR) باید از جو حذف شود.دپارتمان تحقیقات و نوآوری بریتانیا اخیراً بودجه پنج پروژه GGR8 شامل مدیریت تورب‌زار، افزایش هوازدگی سنگ، کاشت درخت، بیوچار و محصولات چند ساله را برای تغذیه فرآیند BECCS اعلام کرد.هزینه های حذف بیش از 130 MtCO2 از اتمسفر در سال 10-100 دلار آمریکا به ازای هر تن CO2، 0.2-8.1 MtCO2 در سال برای احیای تورب کوهی، 52-480 دلار آمریکا در هر تن CO2 و 12-27 MtCO2 در سال برای هوازدگی سنگ ها است. 0.4-30 دلار در سال.tCO2، 3.6 MtCO2 در سال، 1% افزایش در مساحت جنگل، 0.4-30 US$/tCO2، 6-41 MtCO2 در سال، بیوچار، 140-270 US$/tCO2، 20-70 Mt CO2 در سال برای محصولات دائمی با استفاده از BECCS9.
ترکیبی از این رویکردها به طور بالقوه می تواند به هدف 130 میلیون تن CO2 در سال برسد، اما هزینه های هوازدگی سنگ و BECCS بالا است، و بیوچار، اگرچه نسبتا ارزان و غیرمرتبط با زمین است، نیاز به مواد اولیه برای فرآیند تولید بیوچار دارد.این توسعه و تعداد را برای استقرار سایر فناوری های GGR ارائه می دهد.
به جای جستجوی راه حل در خشکی، به دنبال آب، به ویژه فوتوتروف های تک سلولی مانند ریزجلبک ها و سیانوباکتری ها باشید.جلبک ها (از جمله سیانوباکترها) تقریباً 50 درصد از دی اکسید کربن جهان را جذب می کنند، اگرچه تنها 1 درصد از زیست توده جهان را تشکیل می دهند.سیانوباکتری ها مهندسین زیستی اصلی طبیعت هستند که پایه و اساس متابولیسم تنفسی و تکامل حیات چند سلولی را از طریق فتوسنتز اکسیژنی می گذارند.ایده استفاده از سیانوباکترها برای جذب کربن جدید نیست، اما روش‌های نوآورانه قرار دادن فیزیکی افق‌های جدیدی را برای این موجودات قدیمی باز می‌کند.
حوضچه های باز و فوتوبیوراکتورها دارایی های پیش فرض در هنگام استفاده از ریزجلبک ها و سیانوباکتری ها برای مقاصد صنعتی هستند.این سیستم های کشت از یک کشت سوسپانسیونی استفاده می کنند که در آن سلول ها آزادانه در محیط رشد شناور می شوند.با این حال، حوضچه ها و فوتوبیورآکتورها دارای معایب بسیاری مانند انتقال ضعیف جرم CO2، استفاده شدید از زمین و آب، حساسیت به رسوب زیستی، و هزینه های بالای ساخت و ساز و بهره برداری هستند.بیورآکتورهای بیوفیلمی که از کشت‌های تعلیق استفاده نمی‌کنند از نظر آب و فضا مقرون به صرفه‌تر هستند، اما در معرض آسیب خشک شدن هستند، مستعد جدا شدن بیوفیلم (و در نتیجه از دست دادن بیومس فعال) هستند و به همان اندازه مستعد رسوب زیستی هستند.
رویکردهای جدیدی برای افزایش میزان جذب CO2 و رفع مشکلاتی که راکتورهای دوغاب و بیوفیلم را محدود می‌کنند، مورد نیاز است.یکی از این رویکردها، بیوکامپوزیت های فتوسنتزی است که از گلسنگ ها الهام گرفته شده است.گلسنگ ها مجموعه ای از قارچ ها و فوتوبیونت ها (ریزجلبک ها و/یا سیانوباکتری ها) هستند که تقریباً 12 درصد از مساحت زمین را پوشش می دهند.قارچ ها حمایت فیزیکی، حفاظت و لنگر انداختن بستر فتوبیوتیک را فراهم می کنند که به نوبه خود کربن (به عنوان محصولات فتوسنتزی اضافی) را برای قارچ ها فراهم می کند.بیوکامپوزیت پیشنهادی یک "مقلید گلسنگ" است که در آن جمعیت متمرکز سیانوباکتری ها به شکل یک پوشش زیستی نازک بر روی یک بستر حامل تثبیت می شوند.علاوه بر سلول ها، پوشش زیستی حاوی ماتریکس پلیمری است که می تواند جایگزین قارچ شود.امولسیون های پلیمری مبتنی بر آب یا "لاتکس ها" ترجیح داده می شوند زیرا زیست سازگار، بادوام، ارزان، حمل و نقل آسان و در دسترس تجاری هستند19، 20، 21، 22، 23، 24، 25، 26.
تثبیت سلول ها با پلیمرهای لاتکس تا حد زیادی تحت تأثیر ترکیب لاتکس و فرآیند تشکیل فیلم است.پلیمریزاسیون امولسیونی فرآیندی ناهمگن است که برای تولید لاستیک مصنوعی، پوشش‌های چسبنده، درزگیرها، افزودنی‌های بتن، پوشش‌های کاغذ و پارچه و رنگ‌های لاتکس استفاده می‌شود.این روش نسبت به سایر روش های پلیمریزاسیون دارای چندین مزیت است، مانند سرعت واکنش بالا و راندمان تبدیل مونومر، و همچنین سهولت کنترل محصول27،28.انتخاب مونومرها به خواص مورد نظر فیلم پلیمری به دست آمده بستگی دارد و برای سیستم های مونومر مخلوط (یعنی کوپلیمریزاسیون)، خواص پلیمر را می توان با انتخاب نسبت های مختلف مونومرهایی که مواد پلیمری حاصل را تشکیل می دهند، تغییر داد.بوتیل آکریلات و استایرن از رایج ترین مونومرهای لاتکس اکریلیک هستند و در اینجا مورد استفاده قرار می گیرند.علاوه بر این، عوامل ادغام کننده (مثلا تگزانول) اغلب برای ترویج تشکیل فیلم یکنواخت استفاده می شود که در آن می توانند خواص لاتکس پلیمری را تغییر دهند تا یک پوشش قوی و "پیوسته" (ادغام شونده) ایجاد کنند.در مطالعه اثبات مفهوم اولیه ما، یک بیوکامپوزیت سه بعدی با مساحت سطح بالا و تخلخل بالا با استفاده از رنگ لاتکس تجاری اعمال شده روی یک اسفنج لوفا ساخته شد.پس از دستکاری طولانی و مداوم (هشت هفته)، زیست کامپوزیت توانایی محدودی برای حفظ سیانوباکترها روی داربست لوفا نشان داد زیرا رشد سلولی یکپارچگی ساختاری لاتکس را تضعیف کرد.در مطالعه حاضر، هدف ما توسعه یک سری از پلیمرهای لاتکس اکریلیک با شیمی شناخته شده برای استفاده مداوم در کاربردهای جذب کربن بدون به خطر انداختن تخریب پلیمر بود.در انجام این کار، ما توانایی ایجاد عناصر ماتریس پلیمری شبیه گلسنگ را نشان داده‌ایم که عملکرد بیولوژیکی بهبود یافته و قابلیت ارتجاعی مکانیکی را در مقایسه با بیوکامپوزیت‌های اثبات شده افزایش می‌دهد.بهینه‌سازی بیشتر جذب بیوکامپوزیت‌ها را برای جذب کربن تسریع می‌کند، به‌ویژه زمانی که با سیانوباکتری‌هایی که از نظر متابولیکی اصلاح شده برای افزایش جذب CO2 ترکیب می‌شوند.
نه لاتکس با سه فرمول پلیمری (H = "سخت"، N = "نرمال"، S = "نرم") و سه نوع Texanol (0، 4، 12٪ V/V) برای سمیت و همبستگی کرنش مورد آزمایش قرار گرفتند.چسب.از دو سیانوباکترینوع لاتکس به طور قابل توجهی بر S. elongatus PCC 7942 (تست شیرر-ری-هار، لاتکس: DF=2، H=23.157، P=0.001) و CCAP 1479/1A (ANOVA دو طرفه، لاتکس: DF=2، F) تأثیر گذاشت. = 103.93، P = < 0.001) (شکل 1a).غلظت تگزانول تأثیر معنی‌داری بر رشد S. elongatus PCC 7942 نداشت، فقط N-لاتکس غیرسمی بود (شکل 1a) و 0 N و 4 N به ترتیب رشد 26% و 35% را حفظ کردند (Mann- Whitney U، 0 N در مقابل 4 N: W = 13.50، P = 0.245؛ 0 N در برابر کنترل: W = 25.0، P = 0.061؛ 4 N در مقابل کنترل: W = 25.0، P = 0.061) و 12 N رشد قابل مقایسه را حفظ کرد به کنترل بیولوژیکی (دانشگاه Mann-Whitney، 12 N در مقابل کنترل: W = 17.0، P = 0.885).برای S. elongatus CCAP 1479/1A، هر دو مخلوط لاتکس و غلظت تگزانول فاکتورهای مهمی بودند و برهمکنش قابل توجهی بین این دو مشاهده شد (ANOVA دو طرفه، لاتکس: DF=2، F=103.93، P=<0.001، Texanol : DF=2، F=5.96، P=0.01، لاتکس*تگزانول: DF=4، F=3.41، P=0.03).0 N و همه لاتکس های "نرم" رشد را تقویت کردند (شکل 1a).تمایل به بهبود رشد با کاهش ترکیب استایرن وجود دارد.
تست سمیت و چسبندگی سیانوباکتری ها (Synechococcus elongatus PCC 7942 و CCAP 1479/1A) به فرمولاسیون لاتکس، رابطه با دمای انتقال شیشه ای (Tg) و ماتریس تصمیم بر اساس داده های سمیت و چسبندگی.(الف) آزمایش سمیت با استفاده از نمودارهای جداگانه درصد رشد سیانوباکتری های نرمال شده برای کنترل کشت های سوسپانسیون انجام شد.درمان های علامت گذاری شده با * به طور قابل توجهی با گروه شاهد متفاوت است.(ب) داده های رشد سیانوباکتری ها در مقابل لاتکس Tg (میانگین ± SD؛ n = 3).(ج) تعداد تجمعی سیانوباکتری های آزاد شده از آزمایش چسبندگی بیوکامپوزیت.(د) داده های چسبندگی در مقابل Tg لاتکس (میانگین ± StDev؛ n = 3).e ماتریس تصمیم بر اساس سمیت و داده های چسبندگی.نسبت استایرن به بوتیل آکریلات برای لاتکس «سخت» (H) 1:3، برای «نرمال» (N) 1:1 و برای «نرم» (S) 3:1 است.اعداد قبلی در کد لاتکس با محتوای Texanol مطابقت دارد.
در بیشتر موارد، زنده ماندن سلولی با افزایش غلظت تگزانول کاهش یافت، اما هیچ ارتباط معنی‌داری برای هیچ یک از سویه‌ها وجود نداشت (CCAP 1479/1A: DF = 25، r = -0.208، P = 0.299؛ PCC 7942: DF = 25، r = - 0.127، P = 0.527).روی انجیر1b رابطه بین رشد سلول و دمای انتقال شیشه ای (Tg) را نشان می دهد.همبستگی منفی قوی بین غلظت تگزانول و مقادیر Tg وجود دارد (H-latex: DF=7، r=-0.989، P=<0.001؛ N-latex: DF=7، r=-0.964، P=<0.001 ؛ S- لاتکس: DF=7، r=-0.946، P=<0.001).داده ها نشان داد که Tg بهینه برای رشد S. elongatus PCC 7942 حدود 17 درجه سانتیگراد (شکل 1b) بود، در حالی که S. elongatus CCAP 1479/1A Tg کمتر از 0 درجه سانتیگراد را ترجیح می داد (شکل 1b).فقط S. elongatus CCAP 1479/1A همبستگی منفی قوی بین Tg و داده های سمیت داشت (DF = 25، r = -0.857، P = <0.001).
همه لاتکس ها میل چسبندگی خوبی داشتند و هیچ یک از آنها بیش از 1 درصد سلول ها را پس از 72 ساعت آزاد نکردند (شکل 1c).تفاوت معنی داری بین لاتکس های دو سویه S. elongatus وجود نداشت (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test، Latex*Texanol، DF=4، H=0.903؛ P=0.924؛ CCAP 1479/1A: Scheirer- تست اشعه).– تست خرگوش، لاتکس*تگزانول، DF=4، H=3.277، P=0.513).با افزایش غلظت تکسانول، سلول های بیشتری آزاد می شوند (شکل 1c).در مقایسه با S. elongatus PCC 7942 (DF=25، r=-0.660، P=<0.001) (شکل 1d).علاوه بر این، هیچ رابطه آماری بین Tg و چسبندگی سلولی دو سویه وجود نداشت (PCC 7942: DF=25، r=0.301، P=0.127؛ CCAP 1479/1A: DF=25، r=0.287، P=0.147).
برای هر دو سویه، پلیمرهای لاتکس "سخت" بی اثر بودند.در مقابل، 4N و 12N در برابر S. elongatus PCC 7942 بهترین عملکرد را داشتند، در حالی که 4S و 12S در برابر CCAP 1479/1A (شکل 1e) بهترین عملکرد را داشتند، اگرچه به وضوح فضایی برای بهینه‌سازی بیشتر ماتریس پلیمری وجود دارد.این پلیمرها در آزمایشات جذب CO2 خالص نیمه دسته ای استفاده شده اند.
فوتوفیزیولوژی به مدت 7 روز با استفاده از سلول های معلق در یک ترکیب لاتکس آبی تحت نظر قرار گرفت.به طور کلی، هم سرعت فتوسنتز ظاهری (PS) و هم حداکثر بازده کوانتومی PSII (Fv/Fm) با گذشت زمان کاهش می‌یابد، اما این کاهش نابرابر است و برخی از مجموعه داده‌های PS یک پاسخ دو فازی را نشان می‌دهند که نشان‌دهنده یک پاسخ جزئی است، اگرچه بازیابی در زمان واقعی. فعالیت PS کوتاهتر (شکل 2a و 3b).پاسخ دو فازی Fv/Fm کمتر مشخص بود (شکل 2b و 3b).
(الف) سرعت فتوسنتز ظاهری (PS) و (ب) حداکثر بازده کوانتومی PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus PCC 7942 در پاسخ به فرمول‌های لاتکس در مقایسه با کشت‌های سوسپانسیون کنترل.نسبت استایرن به بوتیل آکریلات برای لاتکس «سخت» (H) 1:3، برای «نرمال» (N) 1:1 و برای «نرم» (S) 3:1 است.اعداد قبلی در کد لاتکس با محتوای Texanol مطابقت دارد.(میانگین ± انحراف معیار؛ n = 3).
(الف) نرخ فتوسنتز ظاهری (PS) و (ب) حداکثر بازده کوانتومی PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A در پاسخ به فرمول‌های لاتکس در مقایسه با کشت‌های سوسپانسیون کنترل.نسبت استایرن به بوتیل آکریلات برای لاتکس «سخت» (H) 1:3، برای «نرمال» (N) 1:1 و برای «نرم» (S) 3:1 است.اعداد قبلی در کد لاتکس با محتوای Texanol مطابقت دارد.(میانگین ± انحراف معیار؛ n = 3).
برای S. elongatus PCC 7942، ترکیب لاتکس و غلظت تکسانول بر PS در طول زمان تأثیری نداشت (GLM، لاتکس*تگزانول*زمان، DF = 28، F = 1.49، 0.07 = P)، اگرچه ترکیب یک عامل مهم بود (GLM).، لاتکس*زمان، DF = 14، F = 3.14، P = <0.001) (شکل 2a).غلظت تکسانول در طول زمان اثر معنی‌داری نداشت (GLM، Texanol*time، DF=14، F=1.63، P=0.078).اثر متقابل معنی‌داری بر Fv/Fm وجود داشت (GLM، لاتکس*تگزانول*زمان، DF=28، F=4.54، P=<0.001).اثر متقابل بین فرمول لاتکس و غلظت تکسانول بر Fv/Fm معنی‌دار بود (GLM، لاتکس*تگزانول، DF=4، F=180.42، P=0.001).هر پارامتر همچنین بر Fv/Fm در طول زمان تأثیر می‌گذارد (GLM، لاتکس*زمان، DF=14، F=9.91، P=<0.001 و Texanol*Time، DF=14، F=10.71، P=<0.001).لاتکس 12H کمترین میانگین PS و Fv/Fm را حفظ کرد (شکل 2b)، که نشان می دهد این پلیمر سمی تر است.
PS S. elongatus CCAP 1479/1A به طور قابل توجهی متفاوت بود (GLM، لاتکس * Texanol * زمان، DF = 28، F = 2.75، P = 0.001)، با ترکیب لاتکس به جای غلظت Texanol (GLM، لاتکس * زمان، DF =14، F=6.38، P=<0.001، GLM، Texanol*time، DF=14، F=1.26، P=0.239).پلیمرهای "نرم" 0S و 4S سطوح کمی بالاتر از عملکرد PS را نسبت به سوسپانسیون های کنترلی حفظ کردند (Mann-Whitney U، 0S در مقابل کنترل ها، W = 686.0، 0.044 = P، 4S در مقابل کنترل ها، W = 713، P = 0.01) و یک Fv بهبود یافته/Fm (شکل 3a) انتقال کارآمدتر به Photosystem II را نشان می دهد.برای مقادیر Fv/Fm سلول‌های CCAP 1479/1A، تفاوت لاتکس قابل‌توجهی در طول زمان وجود داشت (GLM، لاتکس*تگزانول*زمان، DF=28، F=6.00، P=0.001) (شکل 3b).).
روی انجیرشکل 4 میانگین PS و Fv/Fm را در یک دوره 7 روزه به عنوان تابعی از رشد سلول برای هر سویه نشان می دهد.S. elongatus PCC 7942 الگوی واضحی نداشت (شکل 4a و b)، با این حال، CCAP 1479/1A یک رابطه سهموی بین مقادیر PS (شکل 4c) و Fv/Fm (شکل 4d) را نشان داد. نسبت استایرن و بوتیل آکریلات با تغییر رشد می کند.
رابطه بین رشد و فتوفیزیولوژی سینکوکوکوس لانگوم بر فرآورده های لاتکس.(الف) داده‌های سمیت در برابر سرعت فتوسنتزی ظاهری (PS)، (ب) حداکثر بازده کوانتومی PSII (Fv/Fm) PCC 7942 رسم شده است.نسبت استایرن به بوتیل آکریلات برای لاتکس «سخت» (H) 1:3، برای «نرمال» (N) 1:1 و برای «نرم» (S) 3:1 است.اعداد قبلی در کد لاتکس با محتوای Texanol مطابقت دارد.(میانگین ± انحراف معیار؛ n = 3).
بیوکامپوزیت PCC 7942 اثر محدودی بر احتباس سلولی با شستشوی قابل توجه سلول در طول چهار هفته اول داشت (شکل 5).پس از مرحله اولیه جذب CO2، سلول های تثبیت شده با لاتکس 12 نیوتن شروع به انتشار CO2 کردند و این الگو بین روزهای 4 و 14 ادامه داشت (شکل 5b).این داده ها با مشاهدات تغییر رنگ رنگدانه مطابقت دارند.جذب خالص CO2 دوباره از روز 18 شروع شد. علیرغم رهاسازی سلول (شکل 5a)، زیست کامپوزیت PCC 7942 12N همچنان در طول 28 روز CO2 بیشتری نسبت به سوسپانسیون شاهد انباشته کرد، البته اندکی (آزمون U Mann-Whitney، W = 2275.5; P = 0.066).سرعت جذب CO2 توسط لاتکس 12 N و 4 N 0.51 ± 0.34 و 1.18 ± 0.29 g CO2 g-1 زیست توده d-1 است.بین سطوح درمان و زمان تفاوت آماری معنی‌داری وجود داشت (تست Chairer-Ray-Hare، درمان: DF=2، H=70.62، P=<0.001: زمان: DF=13، H=23.63، P=0.034)، اما نبودبین درمان و زمان رابطه معنی داری وجود داشت (آزمون Chairer-Ray-Har، زمان*درمان: DF=26، H=8.70، P=0.999).
تست های جذب CO2 نیمه دسته ای روی کامپوزیت های زیستی Synechococcus elongatus PCC 7942 با استفاده از لاتکس 4N و 12N.(الف) تصاویر رها شدن سلول و تغییر رنگ رنگدانه و همچنین تصاویر SEM زیست کامپوزیت را قبل و بعد از آزمایش نشان می دهند.خطوط خال خالی نشان دهنده مکان های رسوب سلولی در بیوکامپوزیت است.(ب) جذب خالص CO2 تجمعی در یک دوره چهار هفته ای.لاتکس معمولی (N) دارای نسبت استایرن به بوتیل آکریلات 1:1 است.اعداد قبلی در کد لاتکس با محتوای Texanol مطابقت دارد.(میانگین ± انحراف معیار؛ n = 3).
حفظ سلولی به طور قابل توجهی برای سویه CCAP 1479/1A با 4S و 12S بهبود یافت، اگرچه رنگدانه به آرامی در طول زمان تغییر رنگ داد (شکل 6a).Biocomposite CCAP 1479/1A CO2 را برای 84 روز کامل (12 هفته) بدون مکمل های غذایی اضافی جذب می کند.تجزیه و تحلیل SEM (شکل 6a) مشاهده بصری جدا شدن سلول های کوچک را تایید کرد.در ابتدا، سلول ها در یک پوشش لاتکس قرار گرفتند که یکپارچگی خود را با وجود رشد سلول حفظ می کرد.میزان جذب CO2 به طور قابل توجهی بیشتر از گروه کنترل بود (آزمون Scheirer-Ray-Har، تیمار: DF=2؛ H=240.59؛ P=<0.001، زمان: DF=42؛ H=112؛ P=<0.001). شکل 6b).زیست کامپوزیت 12S بالاترین جذب CO2 را به دست آورد (0.08 ± 1.57 گرم زیست توده CO2 g-1 در روز)، در حالی که لاتکس 4S 1.13 ± 0.41 گرم زیست توده CO2 g-1 در روز بود، اما تفاوت معنی داری نداشتند (Mann-Whitney U. آزمون، W = 1507.50؛ P = 0.07) و هیچ اثر متقابل معنی‌داری بین درمان و زمان وجود نداشت (آزمون شیرر-ری-هارا، زمان * درمان: DF = 82؛ H = 10.37؛ P = 1.000).
تست جذب CO2 نصف لات با استفاده از بیوکامپوزیت های Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A با لاتکس 4N و 12N.(الف) تصاویر رها شدن سلول و تغییر رنگ رنگدانه و همچنین تصاویر SEM زیست کامپوزیت را قبل و بعد از آزمایش نشان می دهند.خطوط خال خالی نشان دهنده مکان های رسوب سلولی در بیوکامپوزیت است.(ب) جذب خالص CO2 تجمعی در دوره دوازده هفته ای.لاتکس نرم (S) دارای نسبت استایرن به بوتیل آکریلات 1:1 است.اعداد قبلی در کد لاتکس با محتوای Texanol مطابقت دارد.(میانگین ± انحراف معیار؛ n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (آزمایش شیرر-ری-هار، زمان*درمان: DF=4، H=3.243، P=0.518) یا بیوکامپوزیت S. elongatus CCAP 1479/1A (دو ANOVA، زمان*درمان: DF=8 ، F = 1.79، P = 0.119) (شکل S4).بیوکامپوزیت PCC 7942 بالاترین محتوای کربوهیدرات را در هفته 2 داشت (4 نیوتن = 22.5 ± 59.4 درصد، 12 نیوتن = 3.3 ± 67.9 درصد وزنی)، در حالی که سوسپانسیون شاهد بالاترین محتوای کربوهیدرات را در هفته 4 داشت (کنترل 28 ± 59.6٪). w/w).محتوای کل کربوهیدرات بیوکمپوزیت CCAP 1479/1A با سوسپانسیون کنترل به جز در شروع آزمایش، با برخی تغییرات در لاتکس 12S در هفته 4 قابل مقایسه بود. بالاترین مقادیر برای بیوکمپوزیت 9.6 ± 51.9 درصد وزنی بود. برای 4S و 77.1 ± 17.0 درصد وزنی برای 12S.
ما تصمیم گرفتیم تا امکانات طراحی را برای افزایش یکپارچگی ساختاری پوشش‌های پلیمری لاتکس لایه نازک به عنوان یک جزء مهم از مفهوم بیوکامپوزیت تقلید گلسنگ بدون به خطر انداختن زیست سازگاری یا عملکرد نشان دهیم.در واقع، اگر چالش‌های ساختاری مرتبط با رشد سلول غلبه شود، ما انتظار داریم که بهبود عملکرد قابل توجهی نسبت به بیوکامپوزیت‌های آزمایشی‌مان، که در حال حاضر با دیگر سیانوباکترها و سیستم‌های جذب کربن ریزجلبک قابل مقایسه هستند، بهبود یابد.
پوشش ها باید غیر سمی، بادوام باشند، از چسبندگی سلولی طولانی مدت پشتیبانی کنند، و باید متخلخل باشند تا انتقال جرم CO2 و گاز زدایی O2 را افزایش دهند.پلیمرهای اکریلیک نوع لاتکس به راحتی تهیه می شوند و به طور گسترده در صنایع رنگ، نساجی و چسب استفاده می شوند.ما سیانوباکتری ها را با یک امولسیون پلیمری لاتکس اکریلیک مبتنی بر آب که با نسبت خاصی از ذرات استایرن/بوتیل آکریلات و غلظت های مختلف تکسانول پلیمریزه شده بود، ترکیب کردیم.استایرن و بوتیل آکریلات برای کنترل خواص فیزیکی، به ویژه قابلیت ارتجاعی و کارایی ادغام پوشش (که برای یک پوشش قوی و بسیار چسبنده ضروری است) انتخاب شدند، که امکان سنتز ذرات "سخت" و "نرم" را فراهم می کند.داده های سمیت نشان می دهد که لاتکس "سخت" با محتوای استایرن بالا برای بقای سیانوباکتری ها مفید نیست.بر خلاف بوتیل آکریلات، استایرن برای جلبک ها سمی در نظر گرفته می شود32،33.سویه‌های سیانوباکتری کاملاً متفاوت به لاتکس واکنش نشان دادند، و دمای انتقال شیشه‌ای بهینه (Tg) برای S. elongatus PCC 7942 تعیین شد، در حالی که S. elongatus CCAP 1479/1A یک رابطه خطی منفی با Tg نشان داد.
دمای خشک کردن بر توانایی تشکیل یک فیلم لاتکس یکنواخت مداوم تأثیر می گذارد.اگر دمای خشک کردن کمتر از حداقل دمای تشکیل فیلم (MFFT) باشد، ذرات لاتکس پلیمری به طور کامل به هم نمی‌پیوندند و در نتیجه فقط در سطح مشترک ذرات می‌چسبند.فیلم های به دست آمده چسبندگی و استحکام مکانیکی ضعیفی دارند و حتی ممکن است به شکل پودر باشند.MFFT ارتباط نزدیکی با Tg دارد که با ترکیب مونومر و افزودن ترکیباتی مانند تکسانول قابل کنترل است.Tg بسیاری از خواص فیزیکی پوشش حاصل را تعیین می کند که ممکن است در حالت لاستیکی یا شیشه ای باشد.با توجه به معادله فلوری فاکس 35، Tg به نوع مونومر و ترکیب درصد نسبی بستگی دارد.افزودن کوالسنت می‌تواند با سرکوب متناوب Tg ذرات لاتکس، MFFT را کاهش دهد، که امکان تشکیل فیلم در دماهای پایین‌تر را فراهم می‌کند، اما همچنان یک پوشش سخت و قوی را تشکیل می‌دهد زیرا کوالسنت به آرامی در طول زمان تبخیر می‌شود یا استخراج شده است.
افزایش غلظت تکسانول با نرم کردن ذرات پلیمری (کاهش Tg) به دلیل جذب توسط ذرات در طول خشک شدن، تشکیل فیلم را افزایش می دهد و در نتیجه استحکام لایه چسبنده و چسبندگی سلول را افزایش می دهد.از آنجایی که بیوکامپوزیت در دمای محیط (~18-20 درجه سانتیگراد) خشک می شود، Tg (30 تا 55 درجه سانتیگراد) لاتکس "سخت" بالاتر از دمای خشک شدن است، به این معنی که ادغام ذرات ممکن است بهینه نباشد، و در نتیجه لایه‌های B که به صورت زجاجیه باقی می‌مانند، خواص مکانیکی و چسبندگی ضعیف، خاصیت ارتجاعی محدود و نفوذپذیری30 در نهایت منجر به از بین رفتن سلول‌های بیشتر می‌شوند.تشکیل فیلم از پلیمرهای "معمولی" و "نرم" در یا کمتر از Tg لایه پلیمری رخ می دهد و تشکیل فیلم با ادغام بهبود یافته بهبود می یابد و در نتیجه لایه های پلیمری پیوسته با خواص مکانیکی، چسبندگی و چسبندگی بهبود یافته ایجاد می شود.به دلیل نزدیک بودن Tg آن به (ترکیب معمولی: 12 تا 20 درجه سانتیگراد) یا بسیار کمتر (ترکیب نرم: -21 تا -13 درجه سانتیگراد) تا دمای محیط 30، فیلم حاصل در طول آزمایشهای جذب CO2 لاستیکی باقی می ماند.لاتکس "سخت" (3.4 تا 2.9 کیلوگرم در میلی متر-1) سه برابر سخت تر از لاتکس "معمولی" (1.0 تا 0.9 کیلوگرم در میلی متر-1) است.سختی لاتکس های "نرم" را نمی توان با ریزسختی اندازه گیری کرد، زیرا این لاتکس ها بیش از حد لاستیکی و چسبندگی در دمای اتاق هستند.بار سطحی نیز می تواند بر چسبندگی اثر بگذارد، اما برای ارائه اطلاعات معنی دار به داده های بیشتری نیاز است.با این حال، تمام لاتکس ها به طور موثر سلول ها را حفظ کردند و کمتر از 1٪ را آزاد کردند.
بهره وری فتوسنتز با گذشت زمان کاهش می یابد.قرار گرفتن در معرض پلی استایرن منجر به از هم گسیختگی غشا و استرس اکسیداتیو می شود38،39،40،41.مقادیر Fv/Fm S. elongatus CCAP 1479/1A در معرض 0S و 4S تقریباً دو برابر بیشتر از کنترل تعلیق بود که مطابقت خوبی با نرخ جذب CO2 بیوکامپوزیت 4S و همچنین با مقادیر میانگین PS کمترارزش های.مقادیر بالاتر Fv/Fm نشان می‌دهد که انتقال الکترون به PSII ممکن است فوتون‌های بیشتری را ارسال کند، که ممکن است منجر به نرخ تثبیت CO2 بیشتر شود.با این حال، باید توجه داشت که داده‌های فوتوفیزیولوژیک از سلول‌های معلق در محلول‌های لاتکس آبی به‌دست آمدند و ممکن است لزوماً به طور مستقیم با بیوکامپوزیت‌های بالغ قابل مقایسه نباشند.
اگر لاتکس مانعی برای تبادل نور و/یا گاز ایجاد کند که منجر به محدودیت نور و CO2 شود، می تواند باعث استرس سلولی و کاهش عملکرد شود و اگر بر انتشار O2 تأثیر بگذارد، تنفس نوری39.انتقال نور پوشش های پخت ارزیابی شد: لاتکس "سخت" کاهش جزئی در انتقال نور بین 440 و 480 نانومتر را نشان داد (تا حدی با افزایش غلظت تکسانول به دلیل بهبود ادغام فیلم بهبود یافت)، در حالی که "نرم" و "منظم" بود. لاتکس کاهش جزئی در انتقال نور نشان داد.از دست دادن قابل توجهی را نشان نمی دهد.سنجش‌ها، و همچنین تمام انکوباسیون‌ها، در شدت نور کم (30.5 میکرومول در متر مربع بر ثانیه) انجام شد، بنابراین هرگونه تشعشع فعال فتوسنتزی ناشی از ماتریکس پلیمری جبران می‌شود و حتی ممکن است در جلوگیری از مهار نور مفید باشد.در شدت نور مخرب
بیوکامپوزیت CCAP 1479/1A در طول 84 روز آزمایش، بدون گردش مواد مغذی یا از دست دادن قابل توجه زیست توده، که هدف اصلی این مطالعه است، کار کرد.رنگ‌زدایی سلولی ممکن است با فرآیند کلروز در پاسخ به گرسنگی نیتروژن برای دستیابی به بقای طولانی‌مدت (حالت استراحت) همراه باشد، که ممکن است به سلول‌ها کمک کند تا پس از تجمع کافی نیتروژن رشد را از سر بگیرند.تصاویر SEM تأیید کردند که سلول‌ها با وجود تقسیم سلولی در داخل پوشش باقی مانده‌اند، که خاصیت ارتجاعی لاتکس "نرم" را نشان می‌دهد و در نتیجه برتری واضحی را نسبت به نسخه آزمایشی نشان می‌دهد.لاتکس "نرم" حاوی حدود 70٪ بوتیل آکریلات (از نظر وزن) است که بسیار بالاتر از غلظت اعلام شده برای یک پوشش انعطاف پذیر پس از خشک شدن است.
جذب خالص CO2 به طور قابل توجهی بالاتر از سوسپانسیون کنترل بود (به ترتیب 14-20 و 3-8 برابر برای S. elongatus CCAP 1479/1A و PCC 7942).پیش از این، ما از یک مدل انتقال جرم CO2 استفاده کردیم تا نشان دهیم که محرک اصلی جذب CO2 بالا، گرادیان غلظت CO2 شدید در سطح biocomposite31 است و عملکرد زیست کامپوزیت را می توان با مقاومت در برابر انتقال جرم محدود کرد.این مشکل را می توان با ترکیب مواد غیر سمی و غیر تشکیل دهنده لایه در لاتکس برای افزایش تخلخل و نفوذپذیری پوشش برطرف کرد، اما حفظ سلول ممکن است به خطر بیفتد زیرا این استراتژی به ناچار منجر به یک لایه ضعیف تر می شود.ترکیب شیمیایی را می توان در حین پلیمریزاسیون برای افزایش تخلخل تغییر داد که به ویژه از نظر تولید صنعتی و مقیاس پذیری بهترین گزینه است.
عملکرد زیست کامپوزیت جدید در مقایسه با مطالعات اخیر با استفاده از بیوکمپوزیت‌های ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها، مزایایی را در تنظیم نرخ بارگذاری سلولی (جدول 1) 21،46 و با زمان‌های تجزیه و تحلیل طولانی‌تر (84 روز در مقابل 15 ساعت46 و 3 هفته) نشان داد.
محتوای حجمی کربوهیدرات ها در سلول ها به طور مطلوب با سایر مطالعات 47،48،49،50 با استفاده از سیانوباکتری ها مقایسه می شود و به عنوان یک معیار بالقوه برای کاربردهای جذب کربن و استفاده/بازیابی، مانند فرآیندهای تخمیر BECCS، 49،51 یا برای تولید مواد زیست تخریب پذیر استفاده می شود. پلاستیک های زیستی52.به عنوان بخشی از منطق این مطالعه، ما فرض می کنیم که جنگل کاری، حتی در مفهوم انتشار منفی BECCS در نظر گرفته شده است، نوشدارویی برای تغییرات آب و هوایی نیست و سهم نگران کننده ای از زمین های زراعی جهان را مصرف می کند.به عنوان یک آزمایش فکری، تخمین زده شد که بین 640 تا 950 GtCO2 باید تا سال 2100 از جو حذف شود تا افزایش دمای جهانی به 1.5 درجه سانتیگراد (حدود 8 تا 12 GtCO2 در سال) محدود شود.دستیابی به این امر با یک بیوکامپوزیت با عملکرد بهتر (574.08 ± 30.19 تن زیست توده CO2 t-1 در سال-1) مستلزم افزایش حجم از 5.5 × 1010 به 8.2 × 1010 متر مکعب (با راندمان فتوسنتزی قابل مقایسه)، حاوی 2.9 میلیارد لیتر به 2.9 میلیارد لیتر است. پلیمربا فرض اینکه 1 متر مکعب زیست کامپوزیت 1 متر مربع از زمین را اشغال کند، مساحت مورد نیاز برای جذب کل CO2 سالانه هدف بین 5.5 تا 8.17 میلیون هکتار خواهد بود که معادل 0.18-0.27 درصد مناسب برای زندگی اراضی در منطقه است. مناطق استوایی و کاهش سطح زمین.نیاز به BECCS 98-99٪.لازم به ذکر است که نسبت جذب نظری بر اساس جذب CO2 ثبت شده در نور کم است.به محض اینکه زیست کامپوزیت در معرض نور طبیعی شدیدتر قرار می گیرد، میزان جذب CO2 افزایش می یابد و نیاز به زمین را بیشتر کاهش می دهد و مقیاس ها را بیشتر به سمت مفهوم زیست کامپوزیت می کشد.با این حال، پیاده سازی باید در استوا برای شدت نور پس زمینه و مدت زمان ثابت باشد.
اثر جهانی کوددهی CO2، یعنی افزایش بهره وری پوشش گیاهی ناشی از افزایش در دسترس بودن CO2، در بیشتر مناطق زمین کاهش یافته است، احتمالاً به دلیل تغییرات در عناصر غذایی کلیدی خاک (N و P) و منابع آب.این بدان معنی است که فتوسنتز زمینی ممکن است به افزایش جذب CO2 منجر نشود، علیرغم افزایش غلظت CO2 در هوا.در این زمینه، استراتژی‌های کاهش تغییرات آب و هوایی مبتنی بر زمین مانند BECCS حتی کمتر به موفقیت می‌رسند.اگر این پدیده جهانی تایید شود، زیست کامپوزیت الهام گرفته از گلسنگ ما می تواند یک دارایی کلیدی باشد و میکروب های فتوسنتزی تک سلولی آب را به "عوامل زمینی" تبدیل کند.اکثر گیاهان زمینی CO2 را از طریق فتوسنتز C3 تثبیت می کنند، در حالی که گیاهان C4 برای زیستگاه های گرمتر و خشک تر مطلوب تر هستند و در فشارهای جزئی CO254 بالاتر کارآمدتر هستند.سیانوباکتری ها جایگزینی را ارائه می دهند که می تواند پیش بینی های نگران کننده کاهش قرار گرفتن در معرض دی اکسید کربن در گیاهان C3 را خنثی کند.سیانوباکتری ها با ایجاد یک مکانیسم غنی سازی کربن کارآمد که در آن فشارهای جزئی بالاتر CO2 توسط ریبولوز-1،5-بیس فسفات کربوکسیلاز/اکسیژناز (RuBisCo) در کربوکسیزوم های اطراف ارائه و حفظ می شود، بر محدودیت های نور تنفسی غلبه کرده اند.اگر بتوان تولید بیوکمپوزیت های سیانوباکتری را افزایش داد، این می تواند به سلاح مهمی برای بشر در مبارزه با تغییرات آب و هوایی تبدیل شود.
بیوکامپوزیت‌ها (مقلدهای گلسنگ) مزایای واضحی نسبت به کشت‌های تعلیق میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها ارائه می‌کنند، نرخ جذب CO2 بالاتری را ارائه می‌دهند، خطرات آلودگی را به حداقل می‌رسانند و اجتناب از CO2 رقابتی را امیدوار می‌کنند.هزینه ها به طور قابل توجهی استفاده از زمین، آب و مواد مغذی را کاهش می دهد.این مطالعه امکان توسعه و تولید یک لاتکس زیست سازگار با کارایی بالا را نشان می‌دهد که وقتی با یک اسفنج لوفا به عنوان یک بستر کاندید ترکیب می‌شود، می‌تواند جذب CO2 کارآمد و موثر را طی ماه‌ها جراحی فراهم کند و از دست دادن سلول را به حداقل برساند.بیوکامپوزیت‌ها از نظر تئوری می‌توانند تقریباً 570 تن CO2 T-1 زیست توده را در سال جذب کنند و ممکن است مهم‌تر از استراتژی‌های جنگل‌کاری BECCS در پاسخ ما به تغییرات آب و هوایی باشند.با بهینه سازی بیشتر ترکیب پلیمری، آزمایش در شدت نور بالاتر، و همراه با مهندسی متابولیک پیچیده، مهندسین زیستی اصلی طبیعت می توانند بار دیگر به کمک بیایند.
پلیمرهای لاتکس اکریلیک با استفاده از مخلوطی از مونومرهای استایرن، بوتیل آکریلات و اسید اکریلیک تهیه شدند و pH با 0.1 مولار هیدروکسید سدیم روی 7 تنظیم شد (جدول 2).استایرن و بوتیل آکریلات بخش عمده ای از زنجیره های پلیمری را تشکیل می دهند، در حالی که اسید اکریلیک به حفظ ذرات لاتکس در حالت تعلیق کمک می کند.خواص ساختاری لاتکس توسط دمای انتقال شیشه ای (Tg) تعیین می شود که با تغییر نسبت استایرن و بوتیل آکریلات کنترل می شود که به ترتیب خواص "سخت" و "نرم" را ارائه می دهد.یک پلیمر لاتکس آکریلیک معمولی استایرن 50:50 استایرن: بوتیل آکریلات 30 است، بنابراین در این مطالعه لاتکس با این نسبت به عنوان لاتکس معمولی و لاتکس با محتوای استایرن بالاتر به عنوان لاتکس با محتوای استایرن کمتر شناخته شد. ."نرم" به عنوان "سخت" نامیده می شود.
امولسیون اولیه با استفاده از آب مقطر (174 گرم)، بی کربنات سدیم (0.5 گرم) و سورفکتانت Rhodapex Ab/20 (30.92 گرم) (Solvay) برای تثبیت 30 قطره مونومر تهیه شد.با استفاده از یک سرنگ شیشه ای (Science Glass Engineering) با پمپ سرنگ، مقدار ثانویه حاوی استایرن، بوتیل آکریلات و اسید اکریلیک ذکر شده در جدول 2 به صورت قطره ای با سرعت 100 میلی لیتر در ساعت به امولسیون اولیه طی 4 ساعت اضافه شد (کول) -پالمر، مونت ورنون، ایلینوی).محلولی از آغازگر پلیمریزاسیون 59 با استفاده از dHO و پرسولفات آمونیوم (100 میلی لیتر، 3% وزنی) تهیه کنید.
محلول حاوی dHO (206 گرم)، بی کربنات سدیم (1 گرم) و Rhodapex Ab/20 (4.42 گرم) را با استفاده از همزن سقفی (Heidolph Hei-TORQUE مقدار 100) با پروانه فولاد ضد زنگ هم بزنید و تا دمای 82 درجه سانتیگراد در یک همزن گرم کنید. ظرف آب در یک حمام آب گرم VWR Scientific 1137P.محلول کاهش وزن مونومر (28.21 گرم) و آغازگر (20.60 گرم) به صورت قطره ای به ظرف ژاکت دار اضافه شد و به مدت 20 دقیقه هم زد.محلول‌های مونومر باقی‌مانده (150 میلی‌لیتر h-1) و محلول آغازگر (27 میلی‌لیتر در ساعت) را به شدت مخلوط کنید تا ذرات در حالت تعلیق باقی بمانند تا زمانی که به ترتیب با استفاده از سرنگ‌های 10 میلی‌لیتری و 100 میلی‌لیتر در ظرفی به مدت 5 ساعت به آب کت اضافه شوند. .با پمپ سرنگ تکمیل می شود.سرعت همزن به دلیل افزایش حجم دوغاب برای اطمینان از ماندگاری دوغاب افزایش یافت.پس از افزودن آغازگر و امولسیون، دمای واکنش به 85 درجه سانتیگراد افزایش یافت و به مدت 30 دقیقه با سرعت 450 دور در دقیقه به خوبی هم زده شد و سپس تا دمای 65 درجه سانتیگراد خنک شد.پس از سرد شدن، دو محلول جابجایی به لاتکس اضافه شد: ترت بوتیل هیدروپراکسید (t-BHP) (70 درصد در آب) (5 گرم، 14 درصد وزنی) و اسید ایزوآسکوربیک (5 گرم، 10 درصد وزنی)..t-BHP را قطره به قطره اضافه کنید و بگذارید 20 دقیقه بماند.سپس اسید اریتوربیک با سرعت 4 میلی لیتر در ساعت از یک سرنگ 10 میلی لیتری با استفاده از پمپ سرنگ اضافه شد.محلول لاتکس سپس تا دمای اتاق خنک شد و با 0.1M هیدروکسید سدیم تا PH 7 تنظیم شد.
2،2،4-Trimethyl-1،3-pentanediol monoisobutyrate (Texanol) - ترکیب زیست تخریب پذیر کم سمیت برای رنگ های لاتکس 37،60 - با یک سرنگ و پمپ در سه حجم (0، 4، 12٪ v/v) اضافه شد. به عنوان عامل ادغام کننده برای مخلوط لاتکس برای تسهیل تشکیل فیلم در طول خشک کردن.درصد جامدات لاتکس با قرار دادن 100 میکرولیتر از هر پلیمر در درپوش های فویل آلومینیومی از قبل وزن شده و خشک کردن در آون با دمای 100 درجه سانتی گراد به مدت 24 ساعت تعیین شد.
برای انتقال نور، هر مخلوط لاتکس با استفاده از یک مکعب قطره فولادی ضد زنگ کالیبره شده برای تولید فیلم های 100 میکرومتری روی یک لام میکروسکوپ اعمال شد و در دمای 20 درجه سانتی گراد به مدت 48 ساعت خشک شد.انتقال نور (متمرکز بر تابش فعال فتوسنتزی، λ 400-700 نانومتر) بر روی یک طیف‌سنج SpectriLight ILT950 با سنسوری در فاصله 35 سانتی‌متری از یک لامپ فلورسنت 30 واتی (Sylvania Luxline Plus، n = 6) اندازه‌گیری شد. منبع سیانوباکترها و ارگانیسم ها مواد کامپوزیت حفظ شده اند.نرم افزار SpectrILight III نسخه 3.5 برای ضبط روشنایی و انتقال در محدوده λ 400-700 nm61 استفاده شد.تمام نمونه ها در بالای حسگر قرار گرفتند و لام های شیشه ای بدون پوشش به عنوان شاهد استفاده شدند.
نمونه های لاتکس به یک ظرف پخت سیلیکونی اضافه شدند و قبل از آزمایش سختی به مدت 24 ساعت اجازه داده شد تا خشک شوند.نمونه لاتکس خشک شده را روی درپوش فولادی زیر میکروسکوپ x10 قرار دهید.پس از فوکوس، نمونه ها بر روی دستگاه میکروسختی سنج Buehler Micromet II مورد ارزیابی قرار گرفتند.نمونه تحت فشار 100 تا 200 گرم قرار گرفت و زمان بارگذاری روی 7 ثانیه تنظیم شد تا یک فرورفتگی الماسی در نمونه ایجاد شود.چاپ با استفاده از یک میکروسکوپ Bruker Alicona × 10 با نرم افزار اندازه گیری شکل اضافی تجزیه و تحلیل شد.از فرمول سختی ویکرز (معادله 1) برای محاسبه سختی هر لاتکس استفاده شد که در آن HV عدد ویکرز، F نیروی اعمال شده و d میانگین قطرهای فرورفتگی محاسبه شده از ارتفاع و عرض لاتکس است.مقدار تورفتگیلاتکس "نرم" را نمی توان به دلیل چسبندگی و کشش در طول آزمایش فرورفتگی اندازه گیری کرد.
برای تعیین دمای انتقال شیشه ای (Tg) ترکیب لاتکس، نمونه های پلیمری در ظروف ژل سیلیکا قرار داده شدند، به مدت 24 ساعت خشک شدند، تا 005/0 گرم وزن شدند و در ظروف نمونه قرار گرفتند.ظرف درپوش داده شد و در رنگ سنج اسکن تفاضلی (PerkinElmer DSC 8500، Intercooler II، نرم افزار تجزیه و تحلیل داده Pyris)62 قرار گرفت.از روش جریان حرارتی برای قرار دادن فنجان های مرجع و فنجان های نمونه در یک اجاق با یک پروب دمای داخلی برای اندازه گیری دما استفاده می شود.در مجموع از دو رمپ برای ایجاد یک منحنی ثابت استفاده شد.روش نمونه بارها از -20 درجه سانتیگراد به 180 درجه سانتیگراد با سرعت 20 درجه سانتیگراد در دقیقه افزایش یافت.هر نقطه شروع و پایان به مدت 1 دقیقه ذخیره می شود تا تاخیر دما در نظر گرفته شود.
برای ارزیابی توانایی بیوکامپوزیت برای جذب CO2، نمونه‌ها به همان روشی که در مطالعه قبلی ما انجام شد، تهیه و آزمایش شدند.پارچه خشک شده و اتوکلاو شده به نوارهای تقریباً 1×1×5 سانتی متر بریده شد و وزن شد.600 میکرولیتر از دو پوشش زیستی موثر از هر سویه سیانوباکتری را به یک انتهای هر نوار لوفا، تقریباً 1×1×3 سانتی متر بمالید و در تاریکی در دمای 20 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت خشک کنید.به دلیل ساختار ماکرو متخلخل لوفا، مقداری از فرمول هدر رفت، بنابراین بازده بارگذاری سلول 100٪ نبود.برای غلبه بر این مشکل، وزن فرآورده خشک روی لوفا تعیین و به آماده سازی خشک مرجع نرمال شد.کنترل غیر زنده متشکل از لوفا، لاتکس و محیط مغذی استریل به روشی مشابه تهیه شد.
برای انجام تست جذب CO2 نیم دسته ای، بیوکمپوزیت (n = 3) را در یک لوله شیشه ای 50 میلی لیتری قرار دهید تا یک انتهای بیوکامپوزیت (بدون پوشش زیستی) با 5 میلی لیتر محیط رشد در تماس باشد و به ماده مغذی اجازه دهد تا توسط عمل مویرگی منتقل می شود..بطری با چوب پنبه لاستیکی بوتیل به قطر 20 میلی متر مهر و موم شده و با درپوش آلومینیومی نقره ای چین خورده شده است.پس از مهر و موم شدن، 45 میلی لیتر CO2/هوا 5% را با یک سوزن استریل متصل به سرنگ ضد گاز تزریق کنید.تراکم سلولی سوسپانسیون کنترل (n = 3) برابر با بار سلولی بیوکامپوزیت در محیط غذایی بود.آزمایش‌ها در دمای 2±18 درجه سانتی‌گراد با دوره نوری 16:8 و دوره نوری 30.5 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه انجام شد.فضای سر هر دو روز یک بار با یک سرنگ ضد گاز برداشته شد و با یک CO2 متر با جذب مادون قرمز GEOTech G100 برای تعیین درصد CO2 جذب شده تجزیه و تحلیل شد.حجم مساوی از مخلوط گاز CO2 اضافه کنید.
% CO2 Fix به صورت زیر محاسبه می شود: % CO2 Fix = 5% (v/v) - %CO2 (معادله 2) را بنویسید که در آن P = فشار، V = حجم، T = دما، و R = ثابت گاز ایده آل.
نرخ های جذب CO2 گزارش شده برای سوسپانسیون های کنترل سیانوباکتری ها و بیوکامپوزیت ها به کنترل های غیر بیولوژیکی نرمال شد.واحد عملکردی گرم زیست توده، مقدار زیست توده خشک تثبیت شده روی پارچه شستشو است.با توزین نمونه های لوفا قبل و بعد از تثبیت سلولی تعیین می شود.محاسبه جرم بار سلولی (معادل زیست توده) با توزین جداگانه فرآورده ها قبل و بعد از خشک شدن و با محاسبه چگالی آماده سازی سلول (معادله 3).آماده سازی سلولی در طول تثبیت همگن فرض می شود.
Minitab 18 و Microsoft Excel با افزودنی RealStatistics برای تجزیه و تحلیل آماری استفاده شد.نرمال بودن با استفاده از آزمون اندرسون-دارلینگ و برابری واریانس ها با استفاده از آزمون لوین مورد آزمون قرار گرفت.داده های ارضا کننده این فرضیات با استفاده از تحلیل واریانس دو طرفه (ANOVA) با آزمون توکی به عنوان تحلیل تعقیبی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.داده‌های دو طرفه که با مفروضات نرمال بودن و واریانس برابر مطابقت نداشتند با استفاده از آزمون شیرر-ری-هارا و سپس آزمون U Mann-Whitney برای تعیین معنی‌داری بین تیمارها تجزیه و تحلیل شدند.مدل‌های ترکیبی خطی تعمیم‌یافته (GLM) برای داده‌های غیر عادی با سه عامل استفاده شد، که در آن داده‌ها با استفاده از تبدیل جانسون63 تبدیل شدند.همبستگی لحظه ای محصولات پیرسون برای ارزیابی رابطه بین غلظت تکسانول، دمای انتقال شیشه و سمیت لاتکس و داده های چسبندگی انجام شد.