Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Ngoài ra, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Hiển thị băng chuyền gồm ba trang trình bày cùng một lúc.Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc hoặc sử dụng các nút trượt ở cuối để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc.
Thu hồi và lưu trữ carbon là điều cần thiết để đạt được các mục tiêu của Thỏa thuận Paris.Quang hợp là công nghệ của tự nhiên để thu giữ carbon.Lấy cảm hứng từ địa y, chúng tôi đã phát triển một hỗn hợp sinh học quang hợp vi khuẩn lam 3D (tức là mô phỏng địa y) bằng cách sử dụng polyme latex acrylic áp dụng cho miếng bọt biển xơ mướp.Tốc độ hấp thụ CO2 của hỗn hợp sinh học là 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 của sinh khối d-1.Tốc độ hấp thụ dựa trên sinh khối khô khi bắt đầu thí nghiệm và bao gồm CO2 được sử dụng để phát triển sinh khối mới cũng như CO2 có trong các hợp chất lưu trữ như carbohydrate.Tỷ lệ hấp thụ này cao hơn 14-20 lần so với các biện pháp kiểm soát bùn và có khả năng mở rộng quy mô để thu giữ 570 tấn CO2 t-1 sinh khối mỗi năm-1, tương đương với 5,5-8,17 × 106 ha sử dụng đất, loại bỏ 8-12 GtCO2 CO2 mỗi năm.Ngược lại, năng lượng sinh học rừng với khả năng thu hồi và lưu trữ carbon là 0,4–1,2 × 109 ha.Vật liệu tổng hợp sinh học vẫn hoạt động trong 12 tuần mà không cần thêm chất dinh dưỡng hoặc nước, sau đó thí nghiệm bị chấm dứt.Trong lập trường công nghệ đa diện của nhân loại nhằm chống lại biến đổi khí hậu, các vật liệu tổng hợp sinh học vi khuẩn lam được thiết kế và tối ưu hóa có khả năng triển khai bền vững và có thể mở rộng để tăng cường loại bỏ CO2 đồng thời giảm thất thoát nước, chất dinh dưỡng và sử dụng đất.
Biến đổi khí hậu là mối đe dọa thực sự đối với đa dạng sinh học toàn cầu, sự ổn định của hệ sinh thái và con người.Để giảm thiểu những tác động xấu nhất của nó, cần có các chương trình khử cacbon có quy mô lớn và phối hợp, và tất nhiên, cần có một số hình thức loại bỏ trực tiếp khí nhà kính khỏi khí quyển.Mặc dù quá trình khử cacbon tích cực trong sản xuất điện2,3, hiện tại không có giải pháp công nghệ bền vững về mặt kinh tế nào để giảm lượng khí cacbonic (CO2)4 trong khí quyển, mặc dù việc thu hồi khí thải đang được tiến hành5.Thay vì các giải pháp kỹ thuật thực tế và có thể mở rộng, mọi người nên chuyển sang sử dụng các kỹ sư tự nhiên để thu giữ carbon – các sinh vật quang hợp (sinh vật quang dưỡng).Quang hợp là công nghệ cô lập carbon của tự nhiên, nhưng khả năng đảo ngược quá trình làm giàu carbon do con người tạo ra trong khoảng thời gian có ý nghĩa vẫn còn đáng nghi ngờ, các enzym hoạt động kém hiệu quả và khả năng triển khai ở quy mô thích hợp cũng còn đáng nghi ngờ.Một con đường tiềm năng cho quang dưỡng là trồng rừng, chặt cây để lấy năng lượng sinh học bằng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (BECCS) như một công nghệ phát thải âm có thể giúp giảm lượng khí thải CO21 ròng.Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu nhiệt độ theo Thỏa thuận Paris là 1,5°C sử dụng BECCS làm phương pháp chính sẽ cần 0,4 đến 1,2 × 109 ha, tương đương với 25–75% diện tích đất canh tác toàn cầu hiện nay6.Ngoài ra, sự không chắc chắn liên quan đến tác động toàn cầu của việc bón CO2 đặt ra câu hỏi về hiệu quả tổng thể tiềm năng của việc trồng rừng7.Nếu chúng ta muốn đạt được các mục tiêu về nhiệt độ do Thỏa thuận Paris đặt ra, thì 100 giây GtCO2 của khí nhà kính (GGR) phải được loại bỏ khỏi khí quyển mỗi năm.Bộ Nghiên cứu và Đổi mới của Vương quốc Anh gần đây đã công bố tài trợ cho 5 dự án GGR8 bao gồm quản lý đất than bùn, tăng cường phong hóa đá, trồng cây, than sinh học và cây lâu năm để cung cấp cho quy trình BECCS.Chi phí loại bỏ hơn 130 MtCO2 khỏi khí quyển mỗi năm là 10-100 USD/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 mỗi năm để phục hồi đất than bùn, 52-480 USD/tCO2 và 12-27 MtCO2 mỗi năm cho phong hóa đá , 0,4-30 USD/năm.tCO2, 3,6 MtCO2/năm, diện tích rừng tăng 1%, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/năm, than sinh học, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 mỗi năm đối với cây lâu năm sử dụng BECCS9.
Sự kết hợp của các phương pháp này có khả năng đạt được mục tiêu 130 Mt CO2 mỗi năm, nhưng chi phí phong hóa đá và BECCS rất cao, và than sinh học, mặc dù tương đối rẻ và không liên quan đến sử dụng đất, vẫn cần nguyên liệu cho quá trình sản xuất than sinh học.cung cấp sự phát triển và số lượng này để triển khai các công nghệ GGR khác.
Thay vì tìm kiếm giải pháp trên đất liền, hãy tìm kiếm nước, đặc biệt là các sinh vật quang dưỡng đơn bào như vi tảo và vi khuẩn lam10.Tảo (bao gồm cả vi khuẩn lam) thu giữ khoảng 50% lượng khí carbon dioxide của thế giới, mặc dù chúng chỉ chiếm 1% sinh khối của thế giới11.Vi khuẩn lam là kỹ sư địa sinh học nguyên thủy của tự nhiên, đặt nền tảng cho quá trình trao đổi chất hô hấp và sự tiến hóa của đời sống đa bào thông qua quá trình quang hợp oxy12.Ý tưởng sử dụng vi khuẩn lam để thu giữ carbon không phải là mới, nhưng các phương pháp sắp xếp vật lý cải tiến đã mở ra những chân trời mới cho những sinh vật cổ xưa này.
Các ao mở và lò phản ứng quang sinh học là tài sản mặc định khi sử dụng vi tảo và vi khuẩn lam cho mục đích công nghiệp.Các hệ thống nuôi cấy này sử dụng nuôi cấy huyền phù trong đó các tế bào trôi nổi tự do trong môi trường tăng trưởng14;tuy nhiên, ao và lò phản ứng quang sinh học có nhiều nhược điểm như khả năng truyền khối lượng CO2 kém, sử dụng nhiều đất và nước, dễ bị bám bẩn sinh học và chi phí xây dựng và vận hành cao15,16.Các lò phản ứng màng sinh học không sử dụng dịch nuôi cấy huyền phù sẽ tiết kiệm nước và không gian hơn, nhưng có nguy cơ bị hư hỏng do hút ẩm, dễ bị bong ra màng sinh học (và do đó mất sinh khối hoạt động) và dễ bị bám bẩn sinh học17.
Cần có các phương pháp tiếp cận mới để tăng tốc độ hấp thụ CO2 và giải quyết các vấn đề hạn chế các lò phản ứng bùn và màng sinh học.Một cách tiếp cận như vậy là vật liệu tổng hợp sinh học quang hợp lấy cảm hứng từ địa y.Địa y là một phức hợp gồm nấm và sinh vật quang hợp (vi tảo và/hoặc vi khuẩn lam) chiếm khoảng 12% diện tích đất liền trên Trái đất18.Nấm cung cấp hỗ trợ vật lý, bảo vệ và neo giữ chất nền quang sinh học, từ đó cung cấp cho nấm carbon (dưới dạng sản phẩm quang hợp dư thừa).Vật liệu tổng hợp sinh học được đề xuất là một loại vật liệu mô phỏng địa y, trong đó một quần thể vi khuẩn lam tập trung được cố định dưới dạng lớp phủ sinh học mỏng trên chất nền mang.Ngoài các tế bào, lớp phủ sinh học còn chứa một ma trận polymer có thể thay thế nấm.Nhũ tương polyme gốc nước hay “latex” được ưa chuộng hơn vì chúng tương thích sinh học, bền, rẻ tiền, dễ xử lý và có bán trên thị trường19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Sự cố định tế bào bằng polyme latex bị ảnh hưởng rất lớn bởi thành phần của mủ và quá trình hình thành màng.Trùng hợp nhũ tương là một quá trình không đồng nhất được sử dụng để sản xuất cao su tổng hợp, lớp phủ kết dính, chất bịt kín, phụ gia bê tông, lớp phủ giấy và dệt, và sơn latex27.Nó có một số ưu điểm so với các phương pháp trùng hợp khác, chẳng hạn như tốc độ phản ứng cao và hiệu suất chuyển đổi monome, cũng như dễ kiểm soát sản phẩm27,28.Việc lựa chọn các monome phụ thuộc vào các đặc tính mong muốn của màng polyme thu được và đối với các hệ thống monome hỗn hợp (tức là copolyme hóa), các đặc tính của polyme có thể được thay đổi bằng cách chọn các tỷ lệ khác nhau của các monome tạo thành vật liệu polyme thu được.Butyl acrylate và styrene là một trong những monome acrylic latex phổ biến nhất và được sử dụng ở đây.Ngoài ra, các chất kết tụ (ví dụ Texanol) thường được sử dụng để thúc đẩy sự hình thành màng đồng nhất, trong đó chúng có thể thay đổi tính chất của mủ polyme để tạo ra lớp phủ bền và “liên tục” (kết hợp).Trong nghiên cứu chứng minh khái niệm ban đầu của chúng tôi, hỗn hợp sinh học 3D có diện tích bề mặt cao, độ xốp cao được chế tạo bằng cách sử dụng sơn latex thương mại phủ lên miếng bọt biển xơ mướp.Sau các thao tác kéo dài và liên tục (tám tuần), vật liệu tổng hợp sinh học cho thấy khả năng giữ lại vi khuẩn lam trên giàn xơ mướp bị hạn chế vì sự phát triển của tế bào làm suy yếu tính toàn vẹn cấu trúc của mủ.Trong nghiên cứu hiện tại, chúng tôi hướng tới phát triển một loạt polyme latex acrylic có tính chất hóa học đã biết để sử dụng liên tục trong các ứng dụng thu giữ carbon mà không làm ảnh hưởng đến sự phân hủy polyme.Khi làm như vậy, chúng tôi đã chứng minh khả năng tạo ra các phần tử ma trận polymer giống địa y giúp cải thiện hiệu suất sinh học và tăng độ đàn hồi cơ học đáng kể so với các vật liệu tổng hợp sinh học đã được chứng minh.Tối ưu hóa hơn nữa sẽ đẩy nhanh quá trình hấp thu các vật liệu tổng hợp sinh học để thu giữ carbon, đặc biệt khi kết hợp với vi khuẩn lam được biến đổi về mặt trao đổi chất để tăng cường khả năng cô lập CO2.
Chín loại mủ cao su với ba công thức polyme (H = “cứng”, N = “bình thường”, S = “mềm”) và ba loại Texanol (0, 4, 12% v/v) đã được kiểm tra về mối tương quan giữa độc tính và biến dạng.Dính.từ hai vi khuẩn lam.Loại latex ảnh hưởng đáng kể đến S. elongatus PCC 7942 (thử nghiệm Shirer-Ray-Hare, latex: DF=2, H=23.157, P=<0,001) và CCAP 1479/1A (ANOVA hai chiều, latex: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (Hình 1a).Nồng độ texanol không ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của S. elongatus PCC 7942, chỉ có N-latex là không độc hại (Hình 1a), còn 0 N và 4 N duy trì mức tăng trưởng lần lượt là 26% và 35% (Mann- Whitney U, 0 N so với 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N so với đối chứng: W = 25,0, P = 0,061; 4 N so với đối chứng: W = 25,0, P = 0,061) và 12 N duy trì mức tăng trưởng tương đương để kiểm soát sinh học (Đại học Mann-Whitney, 12 N so với đối chứng: W = 17,0, P = 0,885).Đối với S. elongatus CCAP 1479/1A, cả hỗn hợp latex và nồng độ texanol đều là những yếu tố quan trọng và đã quan sát thấy sự tương tác đáng kể giữa hai yếu tố này (ANOVA hai chiều, 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 và tất cả các loại mủ “mềm” đều thúc đẩy tăng trưởng (Hình 1a).Có xu hướng cải thiện sự tăng trưởng khi giảm thành phần styrene.
Thử nghiệm độc tính và độ bám dính của vi khuẩn lam (Synechococcus elongatus PCC 7942 và CCAP 1479/1A) với các công thức latex, mối quan hệ với nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) và ma trận quyết định dựa trên dữ liệu độc tính và độ bám dính.( a ) Thử nghiệm độc tính được thực hiện bằng cách sử dụng các biểu đồ riêng biệt về tỷ lệ phần trăm tăng trưởng của vi khuẩn lam được chuẩn hóa để kiểm soát nuôi cấy huyền phù.Các nghiệm thức được đánh dấu * khác biệt đáng kể so với nghiệm thức đối chứng.(b) Dữ liệu tăng trưởng của vi khuẩn lam so với mủ Tg (trung bình ± SD; n = 3).(c) Số lượng vi khuẩn lam tích lũy được giải phóng từ thử nghiệm độ bám dính của vật liệu tổng hợp sinh học.(d) Dữ liệu độ bám dính so với Tg của mủ cao su (trung bình ± StDev; n = 3).e Ma trận quyết định dựa trên dữ liệu độc tính và độ bám dính.Tỷ lệ giữa styrene và butyl acrylate là 1:3 đối với mủ “cứng” (H), 1:1 đối với mủ “bình thường” (N) và 3:1 đối với mủ “mềm” (S).Các số trước trong mã latex tương ứng với hàm lượng Texanol.
Trong hầu hết các trường hợp, khả năng sống của tế bào giảm khi tăng nồng độ texanol, nhưng không có mối tương quan đáng kể đối với bất kỳ chủng nào (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).Trên hình.Hình 1b cho thấy mối quan hệ giữa sự phát triển của tế bào và nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg).Có mối tương quan nghịch mạnh giữa nồng độ texanol và giá trị Tg (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).Dữ liệu cho thấy Tg tối ưu cho sự phát triển của S. elongatus PCC 7942 là khoảng 17°C (Hình 1b), trong khi S. elongatus CCAP 1479/1A ưa thích Tg dưới 0°C (Hình 1b).Chỉ S. elongatus CCAP 1479/1A có mối tương quan nghịch mạnh giữa Tg và dữ liệu độc tính (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Tất cả các loại mủ cao su đều có ái lực bám dính tốt và không có loại nào giải phóng hơn 1% tế bào sau 72 giờ (Hình 1c).Không có sự khác biệt đáng kể giữa mủ của hai chủng S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Kiểm tra tia).– Thử nghiệm thỏ, latex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Khi nồng độ Texanol tăng lên, nhiều tế bào được giải phóng hơn (Hình 1c).so với S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Hình 1d).Hơn nữa, không có mối quan hệ thống kê giữa Tg và độ bám dính tế bào của hai chủng (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Đối với cả hai chủng, polyme latex “cứng” đều không hiệu quả.Ngược lại, 4N và 12N hoạt động tốt nhất so với S. elongatus PCC 7942, trong khi 4S và 12S hoạt động tốt nhất so với CCAP 1479/1A (Hình 1e), mặc dù rõ ràng vẫn còn chỗ để tối ưu hóa hơn nữa ma trận polymer.Những polyme này đã được sử dụng trong các thử nghiệm hấp thụ CO2 ròng theo từng mẻ.
Quang sinh lý được theo dõi trong 7 ngày bằng cách sử dụng các tế bào lơ lửng trong chế phẩm mủ nước.Nhìn chung, cả tốc độ quang hợp biểu kiến (PS) và năng suất lượng tử PSII tối đa (Fv/Fm) đều giảm theo thời gian, nhưng mức giảm này không đồng đều và một số bộ dữ liệu PS cho thấy phản ứng hai pha, cho thấy phản ứng một phần, mặc dù phục hồi theo thời gian thực hoạt động PS ngắn hơn (Hình 2a và 3b).Phản ứng Fv/Fm hai pha ít rõ rệt hơn (Hình 2b và 3b).
(a) Tốc độ quang hợp biểu kiến (PS) và (b) năng suất lượng tử PSII tối đa (Fv/Fm) của Synechococcus elongatus PCC 7942 đáp ứng với các công thức latex so với nuôi cấy huyền phù đối chứng.Tỷ lệ giữa styrene và butyl acrylate là 1:3 đối với mủ “cứng” (H), 1:1 đối với mủ “bình thường” (N) và 3:1 đối với mủ “mềm” (S).Các số trước trong mã latex tương ứng với hàm lượng Texanol.(trung bình ± độ lệch chuẩn; n = 3).
(a) Tốc độ quang hợp biểu kiến (PS) và (b) năng suất lượng tử PSII tối đa (Fv/Fm) của Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A để đáp ứng với các công thức latex so với nuôi cấy huyền phù đối chứng.Tỷ lệ giữa styrene và butyl acrylate là 1:3 đối với mủ “cứng” (H), 1:1 đối với mủ “bình thường” (N) và 3:1 đối với mủ “mềm” (S).Các số trước trong mã latex tương ứng với hàm lượng Texanol.(trung bình ± độ lệch chuẩn; n = 3).
Đối với S. elongatus PCC 7942, thành phần mủ cao su và nồng độ Texanol không ảnh hưởng đến PS theo thời gian (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), mặc dù thành phần là một yếu tố quan trọng ( GLM)., latex*time, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Hình 2a).Không có ảnh hưởng đáng kể nào của nồng độ Texanol theo thời gian (GLM, Texanol*time, DF=14, F=1,63, P=0,078).Có sự tương tác đáng kể ảnh hưởng đến Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Sự tương tác giữa công thức latex và nồng độ Texanol có ảnh hưởng đáng kể đến Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Mỗi thông số cũng ảnh hưởng đến Fv/Fm theo thời gian (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 và Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Latex 12H duy trì giá trị PS và Fv/Fm trung bình thấp nhất (Hình 2b), cho thấy loại polymer này độc hại hơn.
PS của S. elongatus CCAP 1479/1A khác biệt đáng kể (GLM, latex * Texanol * time, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), với thành phần latex thay vì nồng độ Texanol (GLM, Latex*time, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*thời gian, DF=14, F=1,26, P=0,239).Các polyme “mềm” 0S và 4S duy trì mức hiệu suất PS cao hơn một chút so với huyền phù đối chứng (Mann-Whitney U, 0S so với đối chứng, W = 686,0, P = 0,044, 4S so với đối chứng, W = 713, P = 0,01) và duy trì tỷ lệ cải thiện Fv./Fm (Hình 3a) cho thấy khả năng vận chuyển đến Hệ thống ảnh II hiệu quả hơn.Đối với giá trị Fv/Fm của tế bào CCAP 1479/1A, có sự khác biệt đáng kể về mủ theo thời gian (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Hình 3b).).
Trên hình.4 cho thấy PS và Fv/Fm trung bình trong khoảng thời gian 7 ngày là hàm số của sự phát triển tế bào đối với từng chủng.S. elongatus PCC 7942 không có mẫu rõ ràng (Hình 4a và b), tuy nhiên, CCAP 1479/1A cho thấy mối quan hệ parabol giữa các giá trị PS (Hình 4c) và Fv/Fm (Hình 4d) như tỷ lệ styrene và butyl acrylate tăng lên cùng với sự thay đổi.
Mối liên quan giữa sự phát triển và quang sinh lý của Synechococcus longum trên các chế phẩm mủ cao su.(a) Dữ liệu độc tính được biểu thị theo tốc độ quang hợp biểu kiến (PS), (b) năng suất lượng tử PSII tối đa (Fv/Fm) của PCC 7942. c Dữ liệu độc tính được biểu thị theo PS và d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Tỷ lệ giữa styrene và butyl acrylate là 1:3 đối với mủ “cứng” (H), 1:1 đối với mủ “bình thường” (N) và 3:1 đối với mủ “mềm” (S).Các số trước trong mã latex tương ứng với hàm lượng Texanol.(trung bình ± độ lệch chuẩn; n = 3).
PCC 7942 tổng hợp sinh học có tác dụng hạn chế trong việc lưu giữ tế bào với việc rửa trôi tế bào đáng kể trong bốn tuần đầu tiên (Hình 5).Sau giai đoạn hấp thu CO2 ban đầu, các tế bào được cố định bằng mủ 12 N bắt đầu giải phóng CO2 và mô hình này vẫn tồn tại từ ngày 4 đến ngày 14 (Hình 5b).Những dữ liệu này phù hợp với các quan sát về sự đổi màu sắc tố.Sự hấp thu CO2 ròng bắt đầu trở lại từ ngày 18. Mặc dù đã giải phóng tế bào (Hình 5a), hỗn hợp sinh học PCC 7942 12 N vẫn tích lũy nhiều CO2 hơn so với huyền phù đối chứng trong 28 ngày, mặc dù không đáng kể (Mann-Whitney U-test, W = 2275,5; P = 0,066).Tỷ lệ hấp thụ CO2 của latex 12 N và 4 N là 0,51 ± 0,34 và 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 của sinh khối d-1.Có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa mức độ điều trị và thời gian (Thử nghiệm Chairer-Ray-Hare, điều trị: DF=2, H=70,62, P=<0,001 lần: DF=13, H=23,63, P=0,034), nhưng nó đã không.có mối quan hệ đáng kể giữa điều trị và thời gian (Thử nghiệm Chairer-Ray-Har, thời gian*điều trị: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Thử nghiệm hấp thụ CO2 nửa mẻ đối với vật liệu tổng hợp sinh học Synechococcus elongatus PCC 7942 sử dụng mủ 4N và 12N.(a) Hình ảnh cho thấy sự giải phóng tế bào và sự đổi màu sắc tố, cũng như ảnh SEM của vật liệu tổng hợp sinh học trước và sau khi thử nghiệm.Các đường chấm màu trắng biểu thị vị trí lắng đọng tế bào trên vật liệu tổng hợp sinh học.(b) Lượng CO2 ròng tích lũy trong khoảng thời gian bốn tuần.Mủ “bình thường” (N) có tỷ lệ styren và butyl acrylate là 1:1.Các số trước trong mã latex tương ứng với hàm lượng Texanol.(trung bình ± độ lệch chuẩn; n = 3).
Khả năng giữ tế bào được cải thiện đáng kể đối với chủng CCAP 1479/1A với 4S và 12S, mặc dù sắc tố thay đổi màu chậm theo thời gian (Hình 6a).Biocompozit CCAP 1479/1A hấp thụ CO2 trong 84 ngày (12 tuần) mà không cần bổ sung dinh dưỡng.Phân tích SEM (Hình 6a) đã xác nhận quan sát trực quan về sự tách tế bào nhỏ.Ban đầu, các tế bào được bọc trong một lớp phủ cao su để duy trì tính toàn vẹn của nó bất chấp sự phát triển của tế bào.Tỷ lệ hấp thu CO2 cao hơn đáng kể so với nhóm đối chứng (xét nghiệm Scheirer-Ray-Har, điều trị: DF=2; H=240,59; P=<0,001, thời gian: DF=42; H=112; P=<0,001 ) ( Hình 6b).Hỗn hợp sinh học 12S đạt được mức hấp thụ CO2 cao nhất (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 sinh khối mỗi ngày), trong khi mủ 4S là 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 sinh khối mỗi ngày, nhưng chúng không khác biệt đáng kể (Mann-Whitney U .test, W = 1507,50; P = 0,07) và không có tương tác đáng kể giữa điều trị và thời gian (thử nghiệm Shirer-Rey-Hara, thời gian * điều trị: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Thử nghiệm sự hấp thụ CO2 một nửa lô bằng cách sử dụng vật liệu tổng hợp sinh học Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A với mủ 4N và 12N.(a) Hình ảnh cho thấy sự giải phóng tế bào và sự đổi màu sắc tố, cũng như ảnh SEM của vật liệu tổng hợp sinh học trước và sau khi thử nghiệm.Các đường chấm màu trắng biểu thị vị trí lắng đọng tế bào trên vật liệu tổng hợp sinh học.(b) Lượng CO2 ròng tích lũy trong khoảng thời gian 12 tuần.Mủ “mềm” (S) có tỷ lệ styren và butyl acrylate là 1:1.Các số trước trong mã latex tương ứng với hàm lượng Texanol.(trung bình ± độ lệch chuẩn; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Thử nghiệm Shirer-Ray-Har, thời gian*xử lý: DF=4, H=3,243, P=0,518) hoặc biocomposite S. elongatus CCAP 1479/1A (hai-ANOVA, thời gian*xử lý: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Hình S4).Hỗn hợp sinh học PCC 7942 có hàm lượng carbohydrate cao nhất ở tuần thứ 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 wt%, 12 N = 67,9 ± 3,3 wt%), trong khi huyền phù đối chứng có hàm lượng carbohydrate cao nhất ở tuần thứ 4 khi (đối chứng = 59,6 ± 2,84% có/có).Tổng hàm lượng carbohydrate của hỗn hợp sinh học CCAP 1479/1A tương đương với huyền phù đối chứng ngoại trừ khi bắt đầu thử nghiệm, với một số thay đổi trong mủ 12S ở tuần thứ 4. Giá trị cao nhất của hỗn hợp sinh học là 51,9 ± 9,6 wt% đối với 4S và 77,1 ± 17,0% trọng lượng đối với 12S.
Chúng tôi bắt đầu chứng minh các khả năng thiết kế nhằm nâng cao tính toàn vẹn cấu trúc của lớp phủ polymer latex màng mỏng như một thành phần quan trọng của khái niệm tổng hợp sinh học mô phỏng địa y mà không làm mất đi tính tương thích sinh học hoặc hiệu suất.Thật vậy, nếu vượt qua được những thách thức về cấu trúc liên quan đến sự phát triển của tế bào, chúng tôi mong đợi những cải thiện hiệu suất đáng kể so với các vật liệu tổng hợp sinh học thử nghiệm của chúng tôi, vốn có thể so sánh với các hệ thống thu giữ carbon vi khuẩn lam và vi tảo khác.
Lớp phủ phải không độc hại, bền, hỗ trợ bám dính tế bào lâu dài và phải xốp để thúc đẩy quá trình truyền khối CO2 và khử khí O2 hiệu quả.Các polyme acrylic dạng latex rất dễ điều chế và được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sơn, dệt và kết dính30.Chúng tôi đã kết hợp vi khuẩn lam với nhũ tương polymer latex acrylic gốc nước được trùng hợp với tỷ lệ cụ thể của các hạt styrene/butyl acrylate và các nồng độ Texanol khác nhau.Styrene và butyl acrylate được chọn để có thể kiểm soát các tính chất vật lý, đặc biệt là độ đàn hồi và hiệu quả kết tụ của lớp phủ (rất quan trọng đối với lớp phủ bền và có độ bám dính cao), cho phép tổng hợp các cốt liệu hạt “cứng” và “mềm”.Dữ liệu về độc tính cho thấy mủ “cứng” có hàm lượng styrene cao không có lợi cho sự tồn tại của vi khuẩn lam.Không giống như butyl acrylate, styrene được coi là độc hại đối với tảo32,33.Các chủng vi khuẩn lam phản ứng hoàn toàn khác với latex và nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh tối ưu (Tg) được xác định đối với S. elongatus PCC 7942, trong khi S. elongatus CCAP 1479/1A cho thấy mối quan hệ tuyến tính nghịch với Tg.
Nhiệt độ sấy ảnh hưởng đến khả năng hình thành màng mủ đồng nhất liên tục.Nếu nhiệt độ sấy thấp hơn Nhiệt độ tạo màng tối thiểu (MFFT), các hạt latex polymer sẽ không kết hợp hoàn toàn, dẫn đến độ bám dính chỉ ở bề mặt phân cách hạt.Các màng tạo thành có độ bám dính và độ bền cơ học kém và thậm chí có thể ở dạng bột29.MFFT có liên quan chặt chẽ với Tg, có thể được kiểm soát bằng thành phần monome và bổ sung các chất kết tụ như Texanol.Tg xác định nhiều tính chất vật lý của lớp phủ thu được, có thể ở trạng thái cao su hoặc thủy tinh34.Theo phương trình Flory-Fox35, Tg phụ thuộc vào loại monome và thành phần phần trăm tương đối.Việc bổ sung chất kết tụ có thể làm giảm MFFT bằng cách ức chế không liên tục Tg của các hạt latex, cho phép hình thành màng ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng vẫn tạo thành lớp phủ cứng và chắc vì chất kết tụ bay hơi chậm theo thời gian hoặc đã được chiết xuất36.
Việc tăng nồng độ Texanol thúc đẩy sự hình thành màng bằng cách làm mềm các hạt polymer (giảm Tg) do sự hấp thụ của các hạt trong quá trình sấy khô, từ đó làm tăng độ bền của màng kết dính và độ bám dính của tế bào.Bởi vì hỗn hợp sinh học được sấy khô ở nhiệt độ môi trường xung quanh (~18–20°C), Tg (30 đến 55°C) của mủ “cứng” cao hơn nhiệt độ sấy, nghĩa là sự kết tụ của các hạt có thể không tối ưu, dẫn đến Màng B vẫn giữ được chất thủy tinh, tính chất cơ học và chất kết dính kém, độ đàn hồi và khả năng khuếch tán hạn chế30 cuối cùng dẫn đến mất tế bào nhiều hơn.Sự hình thành màng từ các polyme “bình thường” và “mềm” xảy ra ở mức hoặc dưới Tg của màng polyme, và sự hình thành màng được cải thiện nhờ sự kết tụ được cải thiện, tạo ra các màng polyme liên tục có các đặc tính cơ học, kết dính và kết dính được cải thiện.Màng thu được sẽ vẫn có tính chất cao su trong các thí nghiệm thu giữ CO2 do Tg của nó gần bằng với hỗn hợp (“bình thường”: 12 đến 20 oC) hoặc thấp hơn nhiều (hỗn hợp “mềm”: -21 đến -13 °C) đến nhiệt độ môi trường xung quanh 30 .Mủ “cứng” (3,4 đến 2,9 kgf mm–1) cứng hơn ba lần so với mủ “bình thường” (1,0 đến 0,9 kgf mm–1).Độ cứng của mủ “mềm” không thể đo được bằng độ cứng vi mô do chúng có độ cao su và độ dính quá cao ở nhiệt độ phòng.Điện tích bề mặt cũng có thể ảnh hưởng đến ái lực bám dính, nhưng cần nhiều dữ liệu hơn để cung cấp thông tin có ý nghĩa.Tuy nhiên, tất cả các loại mủ cao su đều giữ lại tế bào một cách hiệu quả, giải phóng ít hơn 1%.
Năng suất quang hợp giảm dần theo thời gian.Tiếp xúc với polystyrene dẫn đến phá vỡ màng và stress oxy hóa38,39,40,41.Giá trị Fv/Fm của S. elongatus CCAP 1479/1A tiếp xúc với 0S và 4S cao gần như gấp đôi so với biện pháp kiểm soát huyền phù, phù hợp tốt với tốc độ hấp thụ CO2 của hỗn hợp sinh học 4S, cũng như với giá trị PS trung bình thấp hơn.các giá trị.Giá trị Fv/Fm cao hơn cho thấy rằng việc vận chuyển điện tử đến PSII có thể cung cấp nhiều photon hơn42, điều này có thể dẫn đến tốc độ cố định CO2 cao hơn.Tuy nhiên, cần lưu ý rằng dữ liệu quang sinh lý được lấy từ các tế bào lơ lửng trong dung dịch latex nước và có thể không nhất thiết phải so sánh trực tiếp với vật liệu tổng hợp sinh học trưởng thành.
Nếu mủ cao su tạo ra rào cản đối với ánh sáng và/hoặc trao đổi khí dẫn đến hạn chế ánh sáng và CO2, nó có thể gây căng thẳng cho tế bào và làm giảm hiệu suất, đồng thời ảnh hưởng đến việc giải phóng O2, dẫn đến quang hô hấp39.Sự truyền ánh sáng của các lớp phủ được xử lý đã được đánh giá: mủ “cứng” cho thấy khả năng truyền ánh sáng giảm nhẹ trong khoảng từ 440 đến 480 nm (được cải thiện một phần bằng cách tăng nồng độ Texanol do sự kết tụ màng được cải thiện), trong khi “mềm” và “thông thường”. ” mủ cao su cho thấy khả năng truyền ánh sáng giảm nhẹ.cho thấy không có sự mất mát đáng chú ý.Các thử nghiệm, cũng như tất cả quá trình ủ, được thực hiện ở cường độ ánh sáng thấp (30,5 µmol m-2 s-1), do đó, bất kỳ bức xạ hoạt động quang hợp nào do nền polyme sẽ được bù đắp và thậm chí có thể hữu ích trong việc ngăn ngừa hiện tượng quang ức chế.ở cường độ ánh sáng có hại.
Biocompozit CCAP 1479/1A hoạt động trong 84 ngày thử nghiệm mà không luân chuyển chất dinh dưỡng hoặc mất đi đáng kể sinh khối, đây là mục tiêu chính của nghiên cứu.Sự mất sắc tố tế bào có thể liên quan đến quá trình nhiễm clo để đáp ứng với tình trạng thiếu nitơ để đạt được sự tồn tại lâu dài (trạng thái nghỉ), có thể giúp tế bào tiếp tục tăng trưởng sau khi đã tích lũy đủ nitơ.Hình ảnh SEM xác nhận rằng các tế bào vẫn tồn tại bên trong lớp phủ bất chấp sự phân chia tế bào, chứng tỏ tính đàn hồi của mủ “mềm” và do đó cho thấy lợi thế rõ ràng so với phiên bản thử nghiệm.Mủ “mềm” chứa khoảng 70% butyl acrylate (tính theo trọng lượng), cao hơn nhiều so với nồng độ đã nêu đối với lớp phủ dẻo sau khi sấy khô44.
Lượng CO2 hấp thụ ròng cao hơn đáng kể so với huyền phù đối chứng (cao hơn lần lượt là 14–20 và 3–8 lần đối với S. elongatus CCAP 1479/1A và PCC 7942).Trước đây, chúng tôi đã sử dụng mô hình truyền khối CO2 để chỉ ra rằng yếu tố chính thúc đẩy sự hấp thụ CO2 cao là gradient nồng độ CO2 sắc nét trên bề mặt của vật liệu tổng hợp sinh học31 và hiệu suất của vật liệu tổng hợp sinh học có thể bị hạn chế do khả năng chống chuyển khối.Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách kết hợp các thành phần không độc hại, không tạo màng vào mủ để tăng độ xốp và tính thấm của lớp phủ26, nhưng khả năng giữ tế bào có thể bị ảnh hưởng vì chiến lược này chắc chắn sẽ dẫn đến lớp màng yếu hơn20.Thành phần hóa học có thể được thay đổi trong quá trình trùng hợp để tăng độ xốp, đây là lựa chọn tốt nhất, đặc biệt là về mặt sản xuất công nghiệp và khả năng mở rộng45.
Hiệu suất của vật liệu tổng hợp sinh học mới so với các nghiên cứu gần đây sử dụng vật liệu tổng hợp sinh học từ vi tảo và vi khuẩn lam cho thấy những ưu điểm trong việc điều chỉnh tốc độ tải tế bào (Bảng 1)21,46 và với thời gian phân tích dài hơn (84 ngày so với 15 giờ46 và 3 tuần21).
Hàm lượng thể tích của carbohydrate trong tế bào so sánh thuận lợi với các nghiên cứu khác47,48,49,50 sử dụng vi khuẩn lam và được sử dụng làm tiêu chí tiềm năng cho các ứng dụng thu hồi và sử dụng/thu hồi carbon, chẳng hạn như cho quá trình lên men BECCS49,51 hoặc để sản xuất các chất có thể phân hủy sinh học. nhựa sinh học52 .Là một phần cơ sở lý luận cho nghiên cứu này, chúng tôi giả định rằng việc trồng rừng, thậm chí được xem xét trong khái niệm phát thải âm BECCS, không phải là thuốc chữa bách bệnh cho biến đổi khí hậu và tiêu thụ một phần đất canh tác trên thế giới ở mức đáng báo động6.Như một thử nghiệm tư duy, người ta ước tính rằng sẽ cần phải loại bỏ khoảng 640 đến 950 GtCO2 khỏi khí quyển vào năm 2100 để hạn chế nhiệt độ toàn cầu tăng lên 1,5°C53 (khoảng 8 đến 12 GtCO2 mỗi năm).Để đạt được điều này với vật liệu tổng hợp sinh học hoạt động tốt hơn (sinh khối 574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 mỗi năm-1) sẽ cần tăng thể tích từ 5,5 × 1010 lên 8,2 × 1010 m3 (với hiệu suất quang hợp tương đương), chứa từ 196 đến 2,92 tỷ lít polyme.Giả sử 1 m3 vật liệu tổng hợp sinh học chiếm 1 m2 diện tích đất thì diện tích cần thiết để hấp thụ tổng lượng CO2 mục tiêu hàng năm sẽ nằm trong khoảng từ 5,5 đến 8,17 triệu ha, tương đương 0,18-0,27% phù hợp cho sự sống của các vùng đất ở vùng này. vùng nhiệt đới và giảm diện tích đất.nhu cầu về BECCS lên tới 98-99%.Cần lưu ý rằng tỷ lệ thu giữ lý thuyết dựa trên mức độ hấp thụ CO2 được ghi lại trong điều kiện ánh sáng yếu.Ngay khi vật liệu tổng hợp sinh học tiếp xúc với ánh sáng tự nhiên có cường độ mạnh hơn, tốc độ hấp thụ CO2 sẽ tăng lên, làm giảm hơn nữa nhu cầu về đất đai và đẩy cán cân tiến xa hơn về khái niệm vật liệu tổng hợp sinh học.Tuy nhiên, việc thực hiện phải ở xích đạo để có cường độ và thời lượng đèn nền không đổi.
Hiệu quả toàn cầu của việc bón phân CO2, tức là sự gia tăng năng suất thực vật do lượng CO2 sẵn có tăng lên, đã giảm trên hầu hết các diện tích đất, có thể là do những thay đổi về các chất dinh dưỡng quan trọng trong đất (N và P) và tài nguyên nước7.Điều này có nghĩa là quá trình quang hợp trên cạn có thể không dẫn đến sự gia tăng hấp thu CO2, mặc dù nồng độ CO2 trong không khí tăng cao.Trong bối cảnh này, các chiến lược giảm thiểu biến đổi khí hậu trên mặt đất như BECCS thậm chí còn ít có khả năng thành công hơn.Nếu hiện tượng toàn cầu này được xác nhận, thì vật liệu tổng hợp sinh học lấy cảm hứng từ địa y của chúng ta có thể là tài sản quan trọng, biến các vi khuẩn quang hợp dưới nước đơn bào thành “tác nhân trên mặt đất”.Hầu hết thực vật trên cạn cố định CO2 thông qua quá trình quang hợp C3, trong khi thực vật C4 thích hợp hơn với môi trường sống ấm hơn, khô hơn và hoạt động hiệu quả hơn ở áp suất riêng phần CO254 cao hơn.Vi khuẩn lam đưa ra một giải pháp thay thế có thể bù đắp những dự đoán đáng báo động về việc giảm tiếp xúc với carbon dioxide ở thực vật C3.Vi khuẩn lam đã khắc phục các hạn chế về quang hô hấp bằng cách phát triển cơ chế làm giàu carbon hiệu quả trong đó áp suất riêng phần CO2 cao hơn được tạo ra và duy trì bởi ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCo) trong các carboxysome xung quanh.Nếu có thể tăng cường sản xuất vật liệu tổng hợp sinh học vi khuẩn lam thì đây có thể trở thành vũ khí quan trọng của nhân loại trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu.
Vật liệu tổng hợp sinh học (mô phỏng địa y) mang lại những lợi thế rõ ràng so với nuôi cấy huyền phù vi tảo và vi khuẩn lam thông thường, mang lại tỷ lệ hấp thụ CO2 cao hơn, giảm thiểu rủi ro ô nhiễm và hứa hẹn tránh được CO2 mang tính cạnh tranh.Chi phí làm giảm đáng kể việc sử dụng đất, nước và chất dinh dưỡng56.Nghiên cứu này chứng minh tính khả thi của việc phát triển và sản xuất một loại mủ cao su tương thích sinh học hiệu suất cao, khi kết hợp với miếng bọt biển xơ mướp làm chất nền, có thể cung cấp khả năng hấp thụ CO2 hiệu quả và hiệu quả trong nhiều tháng phẫu thuật trong khi vẫn giữ được sự mất tế bào ở mức tối thiểu.Về mặt lý thuyết, vật liệu tổng hợp sinh học có thể thu được khoảng 570 tấn CO2 t-1 sinh khối mỗi năm và có thể được chứng minh là quan trọng hơn các chiến lược trồng rừng BECCS trong ứng phó với biến đổi khí hậu của chúng ta.Với việc tối ưu hóa hơn nữa thành phần polymer, thử nghiệm ở cường độ ánh sáng cao hơn và kết hợp với kỹ thuật trao đổi chất phức tạp, các kỹ sư địa sinh học ban đầu của tự nhiên một lần nữa có thể ra tay giải cứu.
Polyme latex acrylic được điều chế bằng cách sử dụng hỗn hợp các monome styren, butyl acrylate và axit acrylic, và độ pH được điều chỉnh thành 7 bằng natri hydroxit 0,1 M (bảng 2).Styrene và butyl acrylate chiếm phần lớn trong chuỗi polymer, trong khi axit acrylic giúp giữ các hạt latex ở trạng thái lơ lửng57.Các đặc tính cấu trúc của mủ cao su được xác định bởi nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg), được kiểm soát bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa styrene và butyl acrylate, mang lại đặc tính “cứng” và “mềm” tương ứng58.Một loại polyme latex acrylic điển hình là 50:50 styrene:butyl acrylate 30, vì vậy trong nghiên cứu này, mủ cao su có tỷ lệ này được gọi là mủ “bình thường” và mủ cao su có hàm lượng styren cao hơn được gọi là mủ có hàm lượng styren thấp hơn .gọi “mềm” là “cứng”.
Nhũ tương sơ cấp được điều chế bằng cách sử dụng nước cất (174 g), natri bicarbonate (0,5 g) và chất hoạt động bề mặt Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) để ổn định 30 giọt monome.Sử dụng ống tiêm thủy tinh (Science Glass Engineering) có bơm ống tiêm, phần dịch thứ cấp chứa styren, butyl acrylate và axit acrylic được liệt kê trong Bảng 2 được thêm từng giọt với tốc độ 100 ml h-1 vào nhũ tương chính trong 4 giờ (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Chuẩn bị dung dịch chất khởi đầu trùng hợp 59 sử dụng dHO và amoni persulfate (100 ml, 3% w/w).
Khuấy dung dịch chứa dHO (206 g), natri bicarbonate (1 g) và Rhodapex Ab/20 (4,42 g) bằng máy khuấy phía trên (giá trị Heidolph Hei-TORQUE 100) bằng cánh quạt bằng thép không gỉ và đun nóng đến 82°C trong bình bọc nước trong bể nước nóng VWR Scientific 1137P.Dung dịch monome giảm trọng lượng (28,21 g) và chất khơi mào (20,60 g) được thêm từng giọt vào bình có vỏ bọc và khuấy trong 20 phút.Trộn mạnh dung dịch monome còn lại (150 ml h-1) và dung dịch khởi đầu (27 ml h-1) để giữ các hạt ở trạng thái lơ lửng cho đến khi chúng được thêm vào áo nước trong 5 giờ bằng cách sử dụng ống tiêm 10 ml và 100 ml tương ứng trong thùng chứa. .hoàn thành với một máy bơm ống tiêm.Tốc độ khuấy được tăng lên do tăng thể tích bùn để đảm bảo giữ lại bùn.Sau khi thêm chất khơi mào và nhũ tương, nhiệt độ phản ứng được nâng lên 85°C, khuấy đều ở tốc độ 450 vòng/phút trong 30 phút, sau đó làm nguội đến 65°C.Sau khi làm mát, hai dung dịch dịch chuyển được thêm vào mủ: tert-butyl hydroperoxide (t-BHP) (70% trong nước) (5 g, 14% trọng lượng) và axit isoascobic (5 g, 10% trọng lượng)..Thêm từng giọt t-BHP và để trong 20 phút.Axit Erythorbic sau đó được thêm vào với tốc độ 4 ml/giờ từ ống tiêm 10 ml sử dụng bơm ống tiêm.Sau đó, dung dịch latex được làm nguội đến nhiệt độ phòng và điều chỉnh đến độ pH 7 bằng natri hydroxit 0,1M.
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate (Texanol) – chất kết dính có thể phân hủy sinh học có độc tính thấp cho sơn latex 37,60 – được thêm vào bằng ống tiêm và máy bơm với ba thể tích (0, 4, 12% v/v) làm chất kết dính cho hỗn hợp latex để tạo điều kiện hình thành màng trong quá trình sấy khô37.Tỷ lệ chất rắn latex được xác định bằng cách đặt 100 µl mỗi polyme vào các nắp lá nhôm đã được cân trước và sấy khô trong lò ở 100°C trong 24 giờ.
Để truyền ánh sáng, mỗi hỗn hợp latex được áp dụng cho một phiến kính hiển vi bằng cách sử dụng khối thả bằng thép không gỉ được hiệu chuẩn để tạo ra màng 100 µm và sấy khô ở 20°C trong 48 giờ.Độ truyền ánh sáng (tập trung vào bức xạ hoạt động quang hợp, λ 400–700 nm) được đo trên máy đo quang phổ ILT950 SpectriLight với cảm biến ở khoảng cách 35 cm tính từ đèn huỳnh quang 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – trong đó ánh sáng nguồn gốc là vi khuẩn lam và sinh vật. Vật liệu composite được bảo quản.Phần mềm SpectrILight III phiên bản 3.5 được sử dụng để ghi lại độ sáng và độ truyền qua trong phạm vi λ 400–700 nm61.Tất cả các mẫu được đặt lên trên cảm biến và các phiến kính không tráng phủ được sử dụng làm đối chứng.
Các mẫu latex được thêm vào đĩa nướng silicon và để khô trong 24 giờ trước khi kiểm tra độ cứng.Đặt mẫu mủ khô lên nắp thép dưới kính hiển vi x10.Sau khi tập trung, các mẫu được đánh giá trên máy đo độ cứng vi mô Buehler Micromet II.Mẫu phải chịu một lực từ 100 đến 200 gram và thời gian tải được đặt thành 7 giây để tạo ra vết lõm kim cương trên mẫu.Bản in được phân tích bằng vật kính hiển vi Bruker Alicona × 10 với phần mềm đo hình dạng bổ sung.Công thức độ cứng Vickers (Công thức 1) được sử dụng để tính độ cứng của từng loại mủ, trong đó HV là số Vickers, F là lực tác dụng và d là giá trị trung bình của các đường chéo thụt lề được tính từ chiều cao và chiều rộng của mủ.giá trị thụt lề.Không thể đo được mủ “mềm” do độ bám dính và độ giãn trong quá trình kiểm tra vết lõm.
Để xác định nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) của thành phần latex, các mẫu polyme được đặt vào đĩa silica gel, sấy khô trong 24 giờ, cân chính xác đến 0,005 g và đặt vào đĩa mẫu.Đĩa được đậy nắp và đặt vào máy đo màu quét vi sai (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, phần mềm phân tích dữ liệu Pyris)62.Phương pháp dòng nhiệt được sử dụng để đặt cốc tham chiếu và cốc mẫu trong cùng một lò với đầu dò nhiệt độ tích hợp để đo nhiệt độ.Tổng cộng có hai đường dốc đã được sử dụng để tạo ra một đường cong nhất quán.Phương pháp lấy mẫu được nâng lên nhiều lần từ -20°C lên 180°C với tốc độ 20°C mỗi phút.Mỗi điểm bắt đầu và kết thúc được lưu trữ trong 1 phút để tính độ trễ nhiệt độ.
Để đánh giá khả năng hấp thụ CO2 của hỗn hợp sinh học, các mẫu đã được chuẩn bị và thử nghiệm theo cách tương tự như trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi31.Khăn lau khô và đã hấp khử trùng được cắt thành các dải có kích thước khoảng 1 × 1 × 5 cm và cân.Áp dụng 600 µl hai lớp phủ sinh học hiệu quả nhất của mỗi chủng vi khuẩn lam vào một đầu của mỗi dải xơ mướp, phủ khoảng 1 × 1 × 3 cm và sấy khô trong bóng tối ở 20°C trong 24 giờ.Do cấu trúc xốp của xơ mướp nên một số công thức bị lãng phí nên hiệu suất nạp tế bào không đạt 100%.Để khắc phục vấn đề này, trọng lượng của chế phẩm khô trên xơ mướp đã được xác định và chuẩn hóa thành chế phẩm khô tham chiếu.Các đối chứng phi sinh học bao gồm xơ mướp, mủ cao su và môi trường dinh dưỡng vô trùng được chuẩn bị theo cách tương tự.
Để thực hiện thử nghiệm hấp thụ CO2 nửa mẻ, đặt hỗn hợp sinh học (n = 3) vào ống thủy tinh 50 ml sao cho một đầu của hỗn hợp sinh học (không có lớp phủ sinh học) tiếp xúc với 5 ml môi trường tăng trưởng, cho phép chất dinh dưỡng được vận chuyển nhờ hoạt động mao dẫn..Chai được đậy kín bằng nút cao su butyl có đường kính 20 mm và được uốn bằng nắp nhôm màu bạc.Sau khi bịt kín, bơm 45 ml CO2/không khí 5% bằng kim vô trùng gắn vào ống tiêm kín khí.Mật độ tế bào của huyền phù đối chứng (n = 3) tương đương với tải lượng tế bào của hỗn hợp sinh học trong môi trường dinh dưỡng.Các thử nghiệm được thực hiện ở 18 ± 2 °C với chu kỳ quang là 16:8 và chu kỳ quang là 30,5 µmol m-2 s-1.Khoảng trống trên đầu được loại bỏ hai ngày một lần bằng ống tiêm kín khí và được phân tích bằng máy đo CO2 có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại GEOTech G100 để xác định phần trăm CO2 được hấp thụ.Thêm một thể tích hỗn hợp khí CO2 tương đương.
% CO2 Fix được tính như sau: % CO2 Fix = 5% (v/v) – viết %CO2 (phương trình 2) trong đó P = áp suất, V = thể tích, T = nhiệt độ và R = hằng số khí lý tưởng.
Tỷ lệ hấp thụ CO2 được báo cáo đối với huyền phù kiểm soát vi khuẩn lam và vật liệu tổng hợp sinh học đã được chuẩn hóa thành các biện pháp kiểm soát phi sinh học.Đơn vị chức năng của g sinh khối là lượng sinh khối khô cố định trên khăn lau.Nó được xác định bằng cách cân mẫu xơ mướp trước và sau khi cố định tế bào.Tính khối lượng tế bào (sinh khối tương đương) bằng cách cân riêng từng chế phẩm trước và sau khi sấy khô và bằng cách tính mật độ của chế phẩm tế bào (phương trình 3).Việc chuẩn bị tế bào được coi là đồng nhất trong quá trình cố định.
Minitab 18 và Microsoft Excel với bổ trợ RealStatistics đã được sử dụng để phân tích thống kê.Tính quy chuẩn được kiểm tra bằng phép thử Anderson-Darling và sự bằng nhau của phương sai được kiểm tra bằng phép thử Levene.Dữ liệu thỏa mãn các giả định này được phân tích bằng phân tích phương sai hai chiều (ANOVA) với thử nghiệm Tukey dưới dạng phân tích hậu nghiệm.Dữ liệu hai chiều không đáp ứng các giả định về tính chuẩn và phương sai bằng nhau đã được phân tích bằng thử nghiệm Shirer-Ray-Hara và sau đó là thử nghiệm Mann-Whitney U để xác định tầm quan trọng giữa các phương pháp điều trị.Các mô hình hỗn hợp tuyến tính tổng quát (GLM) đã được sử dụng cho dữ liệu không bình thường với ba yếu tố, trong đó dữ liệu được chuyển đổi bằng phép biến đổi Johnson63.Mối tương quan thời điểm của các sản phẩm Pearson đã được thực hiện để đánh giá mối quan hệ giữa nồng độ Texanol, nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh cũng như dữ liệu về độ bám dính và độc tính của latex.
Thời gian đăng: Jan-05-2023