تم تطوير المركبات الحيوية النشطة للتمثيل الضوئي لتحسين عزل الكربون البيولوجي.

شكرا لكم لزيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).بالإضافة إلى ذلك، ولضمان الدعم المستمر، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
يعرض دائريًا مكونًا من ثلاث شرائح في وقت واحد.استخدم الزرين السابق والتالي للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة، أو استخدم أزرار التمرير الموجودة في النهاية للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة.
يعد احتجاز الكربون وتخزينه ضروريًا لتحقيق أهداف اتفاق باريس.التمثيل الضوئي هو تقنية الطبيعة لالتقاط الكربون.مستوحاة من الأشنات، قمنا بتطوير مركب حيوي ثلاثي الأبعاد للبكتيريا الزرقاء (أي تقليد الأشنة) باستخدام بوليمر لاتكس أكريليك مطبق على إسفنجة اللوف.كان معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون بواسطة المركب الحيوي 1.57 ± 0.08 جم من ثاني أكسيد الكربون جم-1 من الكتلة الحيوية d-1.يعتمد معدل الامتصاص على الكتلة الحيوية الجافة في بداية التجربة ويتضمن ثاني أكسيد الكربون المستخدم لزراعة كتلة حيوية جديدة بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون الموجود في مركبات التخزين مثل الكربوهيدرات.كانت معدلات الامتصاص هذه أعلى بمقدار 14-20 مرة من تدابير التحكم في الملاط ويمكن زيادتها لالتقاط 570 طنًا من ثاني أكسيد الكربون من الكتلة الحيوية سنويًا-1، أي ما يعادل 5.5-8.17 × 106 هكتارًا من استخدام الأراضي، وإزالة 8-12 جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون ثاني أكسيد الكربون سنويا.في المقابل، تبلغ الطاقة الحيوية للغابات مع احتجاز الكربون وتخزينه 0.4-1.2 × 109 هكتار.ظل المركب الحيوي فعالاً لمدة 12 أسبوعًا بدون مغذيات إضافية أو ماء، وبعد ذلك تم إنهاء التجربة.في إطار الموقف التكنولوجي متعدد الأوجه للإنسانية لمكافحة تغير المناخ، تتمتع المركبات الحيوية البكتيرية الزرقاء المُصممة والمُحسَّنة بإمكانية النشر المستدام والقابل للتطوير لزيادة إزالة ثاني أكسيد الكربون مع تقليل خسائر المياه والمغذيات واستخدام الأراضي.
يشكل تغير المناخ تهديدا حقيقيا للتنوع البيولوجي العالمي واستقرار النظام البيئي والناس.وللتخفيف من أسوأ آثاره فإن الأمر يتطلب برامج منسقة وواسعة النطاق لإزالة الكربون، وبطبيعة الحال، هناك حاجة إلى شكل ما من أشكال الإزالة المباشرة للغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي من الغلاف الجوي.على الرغم من الإزالة الإيجابية للكربون في توليد الكهرباء، لا توجد حاليًا حلول تكنولوجية مستدامة اقتصاديًا لتقليل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (CO2)، على الرغم من التقدم في احتجاز غاز المداخن.وبدلاً من الحلول الهندسية العملية والقابلة للتطوير، يتعين على الناس أن يلجأوا إلى المهندسين الطبيعيين لالتقاط الكربون ــ الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي (الكائنات الضوئية).التمثيل الضوئي هو تقنية عزل الكربون الطبيعية، ولكن قدرتها على عكس تخصيب الكربون الناتج عن النشاط البشري على نطاقات زمنية ذات معنى أمر مشكوك فيه، والإنزيمات غير فعالة، وقدرتها على الانتشار على نطاقات مناسبة أمر مشكوك فيه.أحد السبل المحتملة للتغذية الضوئية هو التشجير، الذي يقطع الأشجار لإنتاج الطاقة الحيوية من خلال احتجاز الكربون وتخزينه (BECCS) كتكنولوجيا الانبعاثات السلبية التي يمكن أن تساعد في تقليل صافي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.ومع ذلك، لتحقيق درجة الحرارة المستهدفة في اتفاق باريس البالغة 1.5 درجة مئوية باستخدام BECCS كطريقة رئيسية، سيتطلب الأمر 0.4 إلى 1.2 × 109 هكتارًا، أي ما يعادل 25-75% من الأراضي الصالحة للزراعة العالمية الحالية.بالإضافة إلى ذلك، فإن عدم اليقين المرتبط بالتأثيرات العالمية لتخصيب ثاني أكسيد الكربون يدعو إلى التشكيك في الكفاءة الإجمالية المحتملة لمزارع الغابات.إذا أردنا الوصول إلى أهداف درجة الحرارة التي حددها اتفاق باريس، فلابد من إزالة 100 ثانية من ثاني أكسيد الكربون من الغازات الدفيئة من الغلاف الجوي كل عام.أعلنت وزارة البحث والابتكار في المملكة المتحدة مؤخرًا عن تمويل لخمسة مشاريع GGR8 بما في ذلك إدارة الأراضي الخثية، والتجوية الصخرية المحسنة، وزراعة الأشجار، والفحم الحيوي، والمحاصيل المعمرة لتغذية عملية BECCS.تبلغ تكلفة إزالة أكثر من 130 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي سنويًا 10-100 دولار أمريكي لكل طن من ثاني أكسيد الكربون، و0.2-8.1 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا لاستعادة الأراضي الخثية، و52-480 دولارًا أمريكيًا/طن ثاني أكسيد الكربون، و12-27 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا لتجوية الصخور. ، 0.4-30 دولارًا أمريكيًا في السنة.طن ثاني أكسيد الكربون، 3.6 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون/عام، زيادة بنسبة 1% في مساحة الغابات، 0.4-30 دولار أمريكي/طن ثاني أكسيد الكربون، 6-41 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون/عام، الفحم الحيوي، 140-270 دولار أمريكي/طن ثاني أكسيد الكربون، 20-70 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا للمحاصيل الدائمة التي تستخدم BECCS9.
من المحتمل أن يصل مزيج من هذه الأساليب إلى هدف 130 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا، لكن تكاليف التجوية الصخرية وBECCS مرتفعة، والفحم الحيوي، على الرغم من أنه رخيص نسبيًا وغير متعلق باستخدام الأراضي، فإنه يتطلب مواد خام لعملية إنتاج الفحم الحيوي.يقدم هذا التطوير والعدد لنشر تقنيات GGR الأخرى.
بدلًا من البحث عن حلول على الأرض، ابحث عن الماء، وخاصة الخلايا الضوئية أحادية الخلية، مثل الطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء.تلتقط الطحالب (بما في ذلك البكتيريا الزرقاء) ما يقرب من 50% من ثاني أكسيد الكربون في العالم، على الرغم من أنها تمثل 1% فقط من الكتلة الحيوية في العالم.البكتيريا الزرقاء هي الهندسة الجيولوجية الحيوية الأصلية للطبيعة، حيث تضع الأساس لعملية التمثيل الغذائي في الجهاز التنفسي وتطور الحياة متعددة الخلايا من خلال عملية التمثيل الضوئي الأكسجين.إن فكرة استخدام البكتيريا الزرقاء لاحتجاز الكربون ليست جديدة، لكن الأساليب المبتكرة للتوضع الفيزيائي تفتح آفاقًا جديدة لهذه الكائنات القديمة.
تعتبر البرك المفتوحة والمفاعلات الحيوية الضوئية أصولًا افتراضية عند استخدام الطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء للأغراض الصناعية.تستخدم أنظمة الاستزراع هذه ثقافة تعليق تطفو فيها الخلايا بحرية في وسط النمو؛ومع ذلك، فإن البرك والمفاعلات الحيوية الضوئية لها عيوب كثيرة مثل ضعف نقل كتلة ثاني أكسيد الكربون، والاستخدام المكثف للأراضي والمياه، والقابلية للتلوث الحيوي، وارتفاع تكاليف البناء والتشغيل.المفاعلات الحيوية للأغشية الحيوية التي لا تستخدم ثقافات التعليق هي أكثر اقتصادا من حيث الماء والفضاء، ولكنها معرضة لخطر تلف الجفاف، وعرضة لانفصال الأغشية الحيوية (وبالتالي فقدان الكتلة الحيوية النشطة)، وهي أيضًا عرضة للحشف الحيوي.
هناك حاجة إلى أساليب جديدة لزيادة معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون ومعالجة المشاكل التي تحد من مفاعلات الملاط والأغشية الحيوية.أحد هذه الأساليب هو المركبات الحيوية الضوئية المستوحاة من الأشنات.الأشنات عبارة عن مجموعة معقدة من الفطريات والخلايا الضوئية (الطحالب الدقيقة و/أو البكتيريا الزرقاء) التي تغطي حوالي 12% من مساحة اليابسة على الأرض.توفر الفطريات الدعم المادي والحماية وتثبيت الركيزة الضوئية، والتي بدورها تزود الفطريات بالكربون (كمنتجات التمثيل الضوئي الزائدة).المركب الحيوي المقترح هو "محاكي الحزاز"، حيث يتم تجميد مجموعة مركزة من البكتيريا الزرقاء في شكل طبقة حيوية رقيقة على ركيزة حاملة.بالإضافة إلى الخلايا، يحتوي الطلاء الحيوي على مصفوفة بوليمر يمكن أن تحل محل الفطريات.يُفضل استخدام مستحلبات البوليمر ذات الأساس المائي أو "اللاتكس" لأنها متوافقة حيويًا، ومتينة، وغير مكلفة، وسهلة التعامل، ومتوفرة تجاريًا19، 20، 21، 22، 23، 24، 25، 26.
يتأثر تثبيت الخلايا باستخدام بوليمرات اللاتكس بشكل كبير بتركيبة اللاتكس وعملية تكوين الفيلم.بلمرة المستحلب هي عملية غير متجانسة تستخدم لإنتاج المطاط الصناعي، والطلاءات اللاصقة، ومانعات التسرب، والمواد المضافة الخرسانية، وطلاءات الورق والمنسوجات، ودهانات اللاتكس.لديها عدد من المزايا مقارنة بطرق البلمرة الأخرى، مثل معدل التفاعل العالي وكفاءة تحويل المونومر، فضلا عن سهولة التحكم في المنتج.يعتمد اختيار المونومرات على الخصائص المرغوبة لفيلم البوليمر الناتج، وبالنسبة لأنظمة المونومر المختلطة (أي البلمرة المشتركة)، يمكن تغيير خصائص البوليمر عن طريق اختيار نسب مختلفة من المونومرات التي تشكل مادة البوليمر الناتجة.يعد بوتيل أكريليت والستايرين من أكثر مونومرات اللاتكس الأكريليك شيوعًا ويتم استخدامها هنا.بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تُستخدم عوامل الالتحام (مثل التكسانول) لتعزيز تكوين غشاء موحد حيث يمكنها تغيير خصائص لاتكس البوليمر لإنتاج طلاء قوي و"مستمر" (متماسك).في دراستنا الأولية لإثبات المفهوم، تم تصنيع مساحة سطحية عالية ومركب حيوي ثلاثي الأبعاد عالي المسامية باستخدام طلاء لاتكس تجاري مطبق على إسفنجة اللوف.بعد معالجة طويلة ومستمرة (ثمانية أسابيع)، أظهر المركب الحيوي قدرة محدودة على الاحتفاظ بالبكتيريا الزرقاء على سقالة اللوف لأن نمو الخلايا أضعف السلامة الهيكلية لللاتكس.في الدراسة الحالية، كنا نهدف إلى تطوير سلسلة من بوليمرات اللاتكس الأكريليك ذات الكيمياء المعروفة للاستخدام المستمر في تطبيقات احتجاز الكربون دون التضحية بتدهور البوليمر.ومن خلال القيام بذلك، أثبتنا القدرة على إنشاء عناصر مصفوفة بوليمر تشبه الأشنة توفر أداءً بيولوجيًا محسنًا وزيادة كبيرة في المرونة الميكانيكية مقارنة بالمركبات الحيوية المثبتة.سيؤدي المزيد من التحسين إلى تسريع امتصاص المركبات الحيوية لالتقاط الكربون، خاصة عند دمجها مع البكتيريا الزرقاء المعدلة أيضيًا لتعزيز عزل ثاني أكسيد الكربون.
تم اختبار تسعة أنواع من اللاتكس تحتوي على ثلاث تركيبات بوليمر (H = "صلب"، N = "طبيعي"، S = "ناعم") وثلاثة أنواع من التيكسانول (0، 4، 12% حجم/حجم) لمعرفة السمية وارتباط السلالة.لاصق.من اثنين من البكتيريا الزرقاء.أثر نوع اللاتكس بشكل كبير على S. elongatus PCC 7942 (اختبار Shirer-Ray-Hare، اللاتكس: DF=2، H=23.157، P=<0.001) وCCAP 1479/1A (ANOVA ثنائي الاتجاه، اللاتكس: DF=2، F) = 103.93، P = <0.001) (الشكل 1 أ).لم يؤثر تركيز التيسانول بشكل كبير على نمو S. elongatus PCC 7942، وكان N-latex فقط غير سام (الشكل 1 أ)، وحافظ 0 N و4 N على نمو بنسبة 26٪ و35٪ على التوالي (Mann- ويتني يو، 0 ن مقابل 4 ن: W = 13.50، P = 0.245، 0 N مقابل التحكم: W = 25.0، P = 0.061، 4 N مقابل التحكم: W = 25.0، P = 0.061) و12 N حافظوا على نمو قابل للمقارنة للتحكم البيولوجي (جامعة مان ويتني، 12 ن مقابل التحكم: W = 17.0، P = 0.885).بالنسبة لـ S. elongatus CCAP 1479/1A، كان كل من خليط اللاتكس وتركيز التيسانول من العوامل المهمة، ولوحظ تفاعل كبير بين الاثنين (ANOVA ثنائي الاتجاه، اللاتكس: DF=2، F=103.93، P=<0.001، Texanol) : DF=2، F=5.96، P=0.01، لاتكس*تيكسانول: DF=4، F=3.41، P=0.03).0 N وجميع أنواع اللاتكس "الناعمة" عززت النمو (الشكل 1 أ).هناك ميل لتحسين النمو مع انخفاض تكوين الستايرين.
اختبار السمية والالتصاق للبكتيريا الزرقاء (Synechococcus elongatus PCC 7942 وCCAP 1479/1A) بتركيبات اللاتكس، والعلاقة مع درجة حرارة التزجج (Tg) ومصفوفة القرار بناءً على بيانات السمية والالتصاق.(أ) تم إجراء اختبار السمية باستخدام قطع منفصلة من النسبة المئوية لنمو البكتيريا الزرقاء التي تم تطبيعها للتحكم في ثقافات التعليق.تختلف العلاجات التي تحمل علامة * بشكل كبير عن الضوابط.( ب ) بيانات نمو البكتيريا الزرقاء مقابل Tg latex (يعني ± SD؛ n = 3).(ج) العدد التراكمي للبكتيريا الزرقاء المنبعثة من اختبار التصاق المركب الحيوي.( د ) بيانات الالتصاق مقابل Tg من اللاتكس (يعني ± StDev؛ n = 3).هـ مصفوفة القرار بناءً على بيانات السمية والالتصاق.نسبة الستايرين إلى أكريليت البوتيل هي 1:3 بالنسبة لللاتكس "الصلب" (H)، و1:1 بالنسبة إلى "العادي" (N) و3:1 بالنسبة إلى "الناعم" (S).الأرقام السابقة في كود اللاتكس تتوافق مع محتوى التيكسانول.
في معظم الحالات، انخفضت صلاحية الخلية مع زيادة تركيز التيسانول، ولكن لم يكن هناك ارتباط كبير لأي من السلالات (CCAP 1479/1A: DF = 25، r = -0.208، P = 0.299؛ PCC 7942: DF = 25، r = - 0.127، ف = 0.527).على الشكل.يوضح الشكل 1 ب العلاقة بين نمو الخلايا ودرجة حرارة التزجج (Tg).هناك علاقة سلبية قوية بين تركيز التيسانول وقيم Tg (H-latex: DF=7, r=-0.989, P=<0.001; N-latex: DF=7, r=-0.964, P=<0.001 ؛ S- اللاتكس: DF = 7، r = -0.946، P = <0.001).أظهرت البيانات أن Tg الأمثل لنمو S. elongatus PCC 7942 كان حوالي 17 درجة مئوية (الشكل 1 ب)، في حين فضل S. elongatus CCAP 1479/1A Tg أقل من 0 درجة مئوية (الشكل 1 ب).فقط S. elongatus CCAP 1479/1A كان له علاقة سلبية قوية بين Tg وبيانات السمية (DF = 25، r = -0.857، P = <0.001).
كان لجميع أنواع اللاتكس تقارب التصاق جيد، ولم يطلق أي منها أكثر من 1٪ من الخلايا بعد 72 ساعة (الشكل 1 ج).لم يكن هناك فرق كبير بين اللاتكس في سلالتي S. elongatus (PCC 7942: اختبار Scheirer-Ray-Hara، Latex*Texanol، DF=4، H=0.903؛ P=0.924؛ CCAP 1479/1A: Scheirer- اختبار راي).– اختبار هير، لاتكس*تكسانول، DF=4، H=3.277، P=0.513).مع زيادة تركيز التيكسانول، يتم إطلاق المزيد من الخلايا (الشكل 1ج).مقارنة بـ S. elongatus PCC 7942 (DF = 25، r = -0.660، P = <0.001) (الشكل 1 د).علاوة على ذلك، لم تكن هناك علاقة إحصائية بين Tg والتصاق الخلايا للسلالتين (PCC 7942: DF=25، r=0.301، P=0.127؛ CCAP 1479/1A: DF=25، r=0.287، P=0.147).
بالنسبة لكلتا السلالتين، كانت بوليمرات اللاتكس "الصلبة" غير فعالة.في المقابل، كان أداء 4N و12N أفضل ضد S. elongatus PCC 7942، في حين كان أداء 4S و12S أفضل ضد CCAP 1479/1A (الشكل 1e)، على الرغم من وجود مجال واضح لمزيد من التحسين لمصفوفة البوليمر.تم استخدام هذه البوليمرات في اختبارات امتصاص ثاني أكسيد الكربون الصافية شبه الدفعية.
تمت مراقبة الفيزيولوجيا الضوئية لمدة 7 أيام باستخدام الخلايا المعلقة في تركيبة لاتكس مائي.بشكل عام، يتناقص كل من معدل التمثيل الضوئي الظاهري (PS) والحد الأقصى للعائد الكمي PSII (Fv/Fm) مع مرور الوقت، ولكن هذا الانخفاض غير متساوٍ وتظهر بعض مجموعات بيانات PS استجابة ثنائية الطور، مما يشير إلى استجابة جزئية، على الرغم من التعافي في الوقت الفعلي نشاط PS أقصر (الشكل 2 أ و 3 ب).كانت استجابة Fv/Fm ثنائية الطور أقل وضوحًا (الشكلان 2 ب و3 ب).
( أ ) معدل التمثيل الضوئي الظاهر (PS) و (ب) الحد الأقصى لإنتاج الكم PSII (Fv / Fm) لـ Synechococcus elongatus PCC 7942 استجابة لتركيبات اللاتكس مقارنة بثقافات التعليق المتحكم فيها.نسبة الستايرين إلى أكريليت البوتيل هي 1:3 بالنسبة لللاتكس "الصلب" (H)، و1:1 بالنسبة إلى "العادي" (N) و3:1 بالنسبة إلى "الناعم" (S).الأرقام السابقة في كود اللاتكس تتوافق مع محتوى التيكسانول.(يعني ± الانحراف المعياري؛ ن = 3).
( أ ) معدل التمثيل الضوئي الظاهر (PS) و (ب) الحد الأقصى لإنتاج الكم PSII (Fv / Fm) لـ Synechococcus elongatus CCAP 1479 / 1A استجابة لتركيبات اللاتكس مقارنة بثقافات التعليق المتحكم فيها.نسبة الستايرين إلى أكريليت البوتيل هي 1:3 بالنسبة لللاتكس "الصلب" (H)، و1:1 بالنسبة إلى "العادي" (N) و3:1 بالنسبة إلى "الناعم" (S).الأرقام السابقة في كود اللاتكس تتوافق مع محتوى التيكسانول.(يعني ± الانحراف المعياري؛ ن = 3).
بالنسبة لـ S. elongatus PCC 7942، لم يؤثر تكوين اللاتكس وتركيز Texanol على PS بمرور الوقت (GLM، Latex*Texanol*Time، DF = 28، F = 1.49، P = 0.07)، على الرغم من أن التركيب كان عاملاً مهمًا (GLM).، اللاتكس * الوقت، DF = 14، F = 3.14، P = <0.001) (الشكل 2 أ).لم يكن هناك تأثير كبير لتركيز التيكسانول مع مرور الوقت (GLM، Texanol*time، DF=14، F=1.63، P=0.078).كان هناك تفاعل كبير يؤثر على Fv/Fm (GLM، Latex*Texanol*Time، DF=28، F=4.54، P=<0.001).كان للتفاعل بين تركيبة اللاتكس وتركيز التكسانول تأثير كبير على Fv/Fm (GLM، Latex*Texanol، DF=4، F=180.42، P=<0.001).تؤثر كل معلمة أيضًا على Fv/Fm بمرور الوقت (GLM، Latex*Time، DF=14، F=9.91، P=<0.001 وTexanol*Time، DF=14، F=10.71، P=< 0.001).حافظ اللاتكس 12H على أدنى متوسط ​​لقيم PS وFv/Fm (الشكل 2 ب)، مما يشير إلى أن هذا البوليمر أكثر سمية.
كان PS of S. elongatus CCAP 1479/1A مختلفًا بشكل كبير (GLM، latex * Texanol * time، DF = 28، F = 2.75، P = <0.001)، مع تكوين اللاتكس بدلاً من تركيز Texanol (GLM، Latex * time، DF) =14، F=6.38، P=<0.001، GLM، Texanol*time، DF=14، F=1.26، P=0.239).حافظت البوليمرات "الناعمة" 0S و4S على مستويات أعلى قليلاً من أداء PS مقارنة بتعليقات التحكم (Mann-Whitney U، 0S مقابل عناصر التحكم، W = 686.0، P = 0.044، 4S مقابل عناصر التحكم، W = 713، P = 0.01) وحافظت على تحسين ف.يُظهر /Fm (الشكل 3 أ) نقلًا أكثر كفاءة إلى Photosystem II.بالنسبة لقيم Fv/Fm لخلايا CCAP 1479/1A، كان هناك اختلاف كبير في اللاتكس مع مرور الوقت (GLM، Latex*Texanol*Time، DF=28، F=6.00، P=<0.001) (الشكل 3 ب).).
على الشكل.يُظهر الشكل 4 متوسط ​​PS وFv/Fm خلال فترة 7 أيام كدالة لنمو الخلايا لكل سلالة.لم يكن لدى S. elongatus PCC 7942 نمط واضح (الشكل 4 أ و ب)، ومع ذلك، أظهر CCAP 1479 / 1A علاقة مكافئة بين قيم PS (الشكل 4 ج) وFv / Fm (الشكل 4 د) باعتبارها نسب الستايرين وأكريليت البوتيل تنمو مع التغيير.
العلاقة بين النمو والفيزيولوجيا الضوئية لـ Synechococcus longum على مستحضرات اللاتكس.(أ) بيانات السمية المرسومة مقابل معدل التمثيل الضوئي الظاهر (PS)، (ب) الحد الأقصى لإنتاج الكم PSII (Fv / Fm) لـ PCC 7942. ج بيانات السمية المرسومة ضد PS و d Fv / Fm CCAP 1479 / 1A.نسبة الستايرين إلى أكريليت البوتيل هي 1:3 بالنسبة لللاتكس "الصلب" (H)، و1:1 بالنسبة إلى "العادي" (N) و3:1 بالنسبة إلى "الناعم" (S).الأرقام السابقة في كود اللاتكس تتوافق مع محتوى التيكسانول.(يعني ± الانحراف المعياري؛ ن = 3).
كان للمركب الحيوي PCC 7942 تأثير محدود على الاحتفاظ بالخلايا مع ترشيح كبير للخلايا خلال الأسابيع الأربعة الأولى (الشكل 5).بعد المرحلة الأولية لامتصاص ثاني أكسيد الكربون، بدأت الخلايا المثبتة باستخدام لاتكس 12 نون في إطلاق ثاني أكسيد الكربون، واستمر هذا النمط بين اليومين 4 و14 (الشكل 5 ب).تتوافق هذه البيانات مع ملاحظات تغير لون الصباغ.بدأ صافي امتصاص ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى اعتبارًا من اليوم 18. على الرغم من إطلاق الخلية (الشكل 5 أ)، لا يزال المركب الحيوي PCC 7942 12 N يتراكم ثاني أكسيد الكربون أكثر من تعليق التحكم على مدار 28 يومًا، وإن كان قليلاً (اختبار Mann-Whitney U، W = 2275.5؛ ف = 0.066).معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون بواسطة اللاتكس 12 ن و 4 ن هو 0.51 ± 0.34 و 1.18 ± 0.29 جم ثاني أكسيد الكربون جم -1 من الكتلة الحيوية d-1.كان هناك فروق ذات دلالة إحصائية بين مستويات العلاج والوقت (اختبار كرسي راي هير، العلاج: DF = 2، H = 70.62، P = <0.001 الوقت: DF = 13، H = 23.63، P = 0.034)، لكنه لم يكن كذلك.كانت هناك علاقة ذات دلالة إحصائية بين العلاج والوقت (اختبار كرسي-راي-هار، الوقت*العلاج: DF=26، H=8.70، P=0.999).
اختبارات امتصاص ثاني أكسيد الكربون بنصف الدفعة على المركبات الحيوية Synechococcus elongatus PCC 7942 باستخدام اللاتكس 4N و12N.(أ) تُظهر الصور إطلاق الخلايا وتغير لون الصبغة، بالإضافة إلى صور SEM للمركب الحيوي قبل الاختبار وبعده.تشير الخطوط المنقطة البيضاء إلى مواقع ترسب الخلايا على المركب الحيوي.( ب ) صافي امتصاص ثاني أكسيد الكربون التراكمي على مدى أربعة أسابيع.يحتوي اللاتكس "العادي" (N) على نسبة من الستايرين إلى أكريليت البوتيل تبلغ 1:1.الأرقام السابقة في كود اللاتكس تتوافق مع محتوى التيكسانول.(يعني ± الانحراف المعياري؛ ن = 3).
تم تحسين الاحتفاظ بالخلايا بشكل ملحوظ بالنسبة لسلالة CCAP 1479 / 1A مع 4S و12S، على الرغم من أن الصباغ تغير لونه ببطء مع مرور الوقت (الشكل 6 أ).يمتص Biocomposite CCAP 1479/1A ثاني أكسيد الكربون لمدة 84 يومًا كاملة (12 أسبوعًا) بدون مكملات غذائية إضافية.أكد تحليل SEM (الشكل 6 أ) الملاحظة البصرية لانفصال الخلايا الصغيرة.في البداية، كانت الخلايا مغطاة بطبقة من اللاتكس تحافظ على سلامتها على الرغم من نمو الخلايا.كان معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون أعلى بكثير من المجموعة الضابطة (اختبار شيرير-راي-هار، العلاج: DF=2؛ H=240.59؛ P=<0.001، الوقت: DF=42؛ H=112؛ P=<0.001) ( الشكل 6 ب).حقق المركب الحيوي 12S أعلى امتصاص لثاني أكسيد الكربون (1.57 ± 0.08 جم من الكتلة الحيوية لثاني أكسيد الكربون g-1 يوميًا)، بينما كان اللاتكس 4S 1.13 ± 0.41 جم من الكتلة الحيوية لثاني أكسيد الكربون g-1 يوميًا، لكنهما لم يختلفا بشكل كبير (Mann-Whitney U). اختبار W = 1507.50؛ P = 0.07) ولا يوجد تفاعل كبير بين العلاج والوقت (اختبار Shirer-Rey-Hara، الوقت * العلاج: DF = 82؛ H = 10.37؛ P = 1.000).
اختبار امتصاص نصف كمية ثاني أكسيد الكربون باستخدام المركبات الحيوية Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A مع اللاتكس 4N و12N.(أ) تُظهر الصور إطلاق الخلايا وتغير لون الصبغة، بالإضافة إلى صور SEM للمركب الحيوي قبل الاختبار وبعده.تشير الخطوط المنقطة البيضاء إلى مواقع ترسب الخلايا على المركب الحيوي.( ب ) صافي امتصاص ثاني أكسيد الكربون التراكمي خلال فترة الاثني عشر أسبوعًا.يحتوي اللاتكس "الناعم" (S) على نسبة من الستايرين إلى أكريليت البوتيل تبلغ 1:1.الأرقام السابقة في كود اللاتكس تتوافق مع محتوى التيكسانول.(يعني ± الانحراف المعياري؛ ن = 3).
S. elongatus PCC 7942 (اختبار Shirer-Ray-Har، الوقت*العلاج: DF=4، H=3.243، P=0.518) أو المركب الحيوي S. elongatus CCAP 1479/1A (ثنائي ANOVA، الوقت*العلاج: DF=8) ، F = 1.79، P = 0.119) (الشكل S4).يحتوي Biocomposite PCC 7942 على أعلى محتوى من الكربوهيدرات في الأسبوع 2 (4 N = 59.4 ± 22.5٪ بالوزن، 12 N = 67.9 ± 3.3٪ بالوزن)، بينما كان لتعليق التحكم أعلى محتوى من الكربوهيدرات في الأسبوع 4 عندما (التحكم = 59.6 ± 2.84٪) ث / ث).كان إجمالي محتوى الكربوهيدرات في المركب الحيوي CCAP 1479/1A مشابهًا لتعليق التحكم باستثناء بداية التجربة، مع بعض التغييرات في اللاتكس 12S في الأسبوع 4. وكانت أعلى القيم للمركب الحيوي 51.9 ± 9.6٪ بالوزن لـ 4S و77.1 ± 17.0% بالوزن لـ 12S.
لقد شرعنا في إظهار إمكانيات التصميم لتعزيز السلامة الهيكلية لطبقات بوليمر اللاتكس الرقيقة كعنصر مهم في مفهوم المركب الحيوي الذي يحاكي الحزاز دون التضحية بالتوافق الحيوي أو الأداء.في الواقع، إذا تم التغلب على التحديات الهيكلية المرتبطة بنمو الخلايا، فإننا نتوقع تحسينات كبيرة في الأداء على المركبات الحيوية التجريبية لدينا، والتي يمكن مقارنتها بالفعل بأنظمة احتجاز الكربون الأخرى للبكتيريا الزرقاء والطحالب الدقيقة.
يجب أن تكون الطلاءات غير سامة، ومتينة، وتدعم التصاق الخلايا على المدى الطويل، ويجب أن تكون مسامية لتعزيز النقل الفعال لكتلة ثاني أكسيد الكربون وتفريغ غاز الأكسجين.بوليمرات الأكريليك من نوع اللاتكس سهلة التحضير وتستخدم على نطاق واسع في صناعات الطلاء والنسيج والمواد اللاصقة.قمنا بدمج البكتيريا الزرقاء مع مستحلب بوليمر لاتكس أكريليك مائي مبلمر بنسبة محددة من جزيئات أكريليت الستايرين / بوتيل وتركيزات مختلفة من التكسانول.تم اختيار الستايرين وأكريليت البوتيل ليكونا قادرين على التحكم في الخواص الفيزيائية، وخاصة مرونة وكفاءة التماسك للطلاء (وهو أمر بالغ الأهمية لطلاء قوي وشديد الالتصاق)، مما يسمح بتخليق مجاميع الجسيمات "الصلبة" و"الناعمة".تشير بيانات السمية إلى أن مادة اللاتكس "الصلبة" التي تحتوي على نسبة عالية من الستايرين لا تساعد على بقاء البكتيريا الزرقاء.على عكس أكريليت البوتيل، يعتبر الستايرين سامًا للطحالب.تفاعلت سلالات البكتيريا الزرقاء بشكل مختلف تمامًا مع اللاتكس، وتم تحديد درجة حرارة التزجج المثلى (Tg) لـ S. elongatus PCC 7942، بينما أظهرت S. elongatus CCAP 1479/1A علاقة خطية سلبية مع Tg.
تؤثر درجة حرارة التجفيف على القدرة على تكوين طبقة لاتكس موحدة ومستمرة.إذا كانت درجة حرارة التجفيف أقل من الحد الأدنى لدرجة حرارة تشكيل الفيلم (MFFT)، فلن تتجمع جزيئات البوليمر اللاتكس بشكل كامل، مما يؤدي إلى الالتصاق عند واجهة الجسيمات فقط.تتميز الأفلام الناتجة بالتصاق ضعيف وقوة ميكانيكية وقد تكون في شكل مسحوق.يرتبط MFFT ارتباطًا وثيقًا بـ Tg، والذي يمكن التحكم فيه عن طريق تكوين المونومر وإضافة التحالفات مثل Texanol.يحدد Tg العديد من الخصائص الفيزيائية للطلاء الناتج، والذي قد يكون في حالة مطاطية أو زجاجية.وفقًا لمعادلة Flory-Fox، يعتمد Tg على نوع المونومر وتركيب النسبة المئوية النسبية.يمكن أن تؤدي إضافة التلاحم إلى خفض MFFT عن طريق القمع المتقطع لـ Tg لجزيئات اللاتكس، مما يسمح بتكوين الفيلم عند درجات حرارة منخفضة، لكنه لا يزال يشكل طبقة صلبة وقوية لأن التلاحم يتبخر ببطء مع مرور الوقت أو تم استخلاصه 36.
زيادة تركيز التيكسانول يعزز تكوين الفيلم عن طريق تليين جزيئات البوليمر (تقليل Tg) بسبب الامتصاص بواسطة الجزيئات أثناء التجفيف، وبالتالي زيادة قوة الفيلم المتماسك والتصاق الخلايا.نظرًا لتجفيف المركب الحيوي في درجة الحرارة المحيطة (~ 18-20 درجة مئوية)، فإن Tg (30 إلى 55 درجة مئوية) من اللاتكس "الصلب" أعلى من درجة حرارة التجفيف، مما يعني أن اندماج الجسيمات قد لا يكون مثاليًا، مما يؤدي إلى الأفلام B التي تظل زجاجية، وخصائص ميكانيكية ولاصقة سيئة، ومرونة محدودة وانتشارية 30 تؤدي في النهاية إلى فقدان أكبر للخلايا.يحدث تكوين الفيلم من البوليمرات "العادية" و"الناعمة" عند Tg لفيلم البوليمر أو أقل منه، ويتم تحسين تكوين الفيلم عن طريق الالتحام المحسن، مما يؤدي إلى إنتاج أفلام بوليمر مستمرة ذات خصائص ميكانيكية ومتماسكة ولاصقة محسنة.سيظل الفيلم الناتج مطاطيًا أثناء تجارب احتجاز ثاني أكسيد الكربون نظرًا لقرب Tg من (المزيج "العادي": 12 إلى 20 درجة مئوية) أو أقل بكثير (المزيج "الناعم": -21 إلى -13 درجة مئوية) لدرجة الحرارة المحيطة 30 .اللاتكس "الصلب" (3.4 إلى 2.9 كجم ثقلي ملم -1) أصعب ثلاث مرات من اللاتكس "العادي" (1.0 إلى 0.9 كجم ثقلي ملم -1).لا يمكن قياس صلابة اللاتكس "الناعم" بالصلابة الدقيقة بسبب مطاطها المفرط ولزوجتها في درجة حرارة الغرفة.يمكن أن يؤثر الشحن السطحي أيضًا على تقارب الالتصاق، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البيانات لتوفير معلومات مفيدة.ومع ذلك، احتفظت جميع أنواع اللاتكس بالخلايا بشكل فعال، وأطلقت أقل من 1٪.
تنخفض إنتاجية عملية التمثيل الضوئي مع مرور الوقت.التعرض للبوليسترين يؤدي إلى تعطيل الغشاء والإجهاد التأكسدي.كانت قيم Fv / Fm لـ S. elongatus CCAP 1479 / 1A المعرضة لـ 0S و4S أعلى مرتين تقريبًا مقارنة بالتحكم في التعليق، وهو ما يتوافق جيدًا مع معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون للمركب الحيوي 4S، وكذلك مع انخفاض متوسط ​​قيم PS.قيم.تشير قيم Fv/Fm الأعلى إلى أن نقل الإلكترون إلى PSII قد يوفر المزيد من الفوتونات، مما قد يؤدي إلى ارتفاع معدلات تثبيت ثاني أكسيد الكربون.ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه تم الحصول على البيانات الفسيولوجية الضوئية من الخلايا المعلقة في محاليل اللاتكس المائية وقد لا تكون بالضرورة قابلة للمقارنة مباشرة مع المركبات الحيوية الناضجة.
إذا كان اللاتكس يخلق حاجزًا أمام تبادل الضوء و/أو الغاز مما يؤدي إلى تقييد الضوء وثاني أكسيد الكربون، فإنه يمكن أن يسبب إجهادًا خلويًا ويقلل الأداء، وإذا كان يؤثر على إطلاق الأكسجين، فإن التنفس الضوئي.تم تقييم انتقال الضوء للطبقات المعالجة: أظهر اللاتكس "الصلب" انخفاضًا طفيفًا في انتقال الضوء بين 440 و480 نانومتر (تم تحسينه جزئيًا عن طريق زيادة تركيز التيكسانول بسبب تحسين تماسك الفيلم)، بينما "الناعم" و"العادي" "أظهر اللاتكس انخفاضًا طفيفًا في انتقال الضوء.لا يظهر أي خسارة ملحوظة للخسارة.تم إجراء الاختبارات، وكذلك جميع الحضانات، عند كثافة إضاءة منخفضة (30.5 ميكرومول م-2 ث-1)، لذلك سيتم تعويض أي إشعاع نشط ضوئيًا بسبب مصفوفة البوليمر وقد يكون مفيدًا في منع التثبيط الضوئي.في شدة الضوء الضارة.
عمل Biocomposite CCAP 1479/1A خلال 84 يومًا من الاختبار، دون دوران المغذيات أو خسارة كبيرة في الكتلة الحيوية، وهو الهدف الرئيسي للدراسة.قد يرتبط فقدان تصبغ الخلايا بعملية الاخضرار استجابةً لتجويع النيتروجين لتحقيق البقاء على المدى الطويل (حالة الراحة)، مما قد يساعد الخلايا على استئناف النمو بعد تحقيق تراكم كافٍ للنيتروجين.وأكدت صور SEM أن الخلايا ظلت داخل الطلاء على الرغم من انقسام الخلايا، مما يدل على مرونة اللاتكس "الناعم"، وبالتالي يظهر ميزة واضحة على النسخة التجريبية.يحتوي اللاتكس "الناعم" على حوالي 70% بوتيل أكريليت (بالوزن)، وهو أعلى بكثير من التركيز المذكور للطلاء المرن بعد التجفيف.
كان صافي امتصاص ثاني أكسيد الكربون أعلى بكثير من امتصاص نظام تعليق التحكم (14-20 و3-8 مرات أعلى بالنسبة لـ S. elongatus CCAP 1479/1A وPCC 7942، على التوالي).في السابق، استخدمنا نموذج نقل كتلة ثاني أكسيد الكربون لإظهار أن المحرك الرئيسي لامتصاص ثاني أكسيد الكربون المرتفع هو التدرج الحاد لتركيز ثاني أكسيد الكربون على سطح المركب الحيوي وأن أداء المركب الحيوي يمكن أن يكون محدودًا بمقاومة النقل الجماعي.يمكن التغلب على هذه المشكلة عن طريق دمج مكونات غير سامة وغير مكونة للأغشية في مادة اللاتكس لزيادة مسامية ونفاذية الطلاء، ولكن الاحتفاظ بالخلايا قد يتعرض للخطر لأن هذه الاستراتيجية ستؤدي حتما إلى فيلم أضعف.يمكن تغيير التركيب الكيميائي أثناء البلمرة لزيادة المسامية، وهو الخيار الأفضل، خاصة من حيث الإنتاج الصناعي وقابلية التوسع.
أظهر أداء المركب الحيوي الجديد مقارنة بالدراسات الحديثة باستخدام المركبات الحيوية من الطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء مزايا في ضبط معدل تحميل الخلية (الجدول 1) ومع أوقات تحليل أطول (84 يومًا مقابل 15 ساعة و3 أسابيع 21).
يقارن المحتوى الحجمي للكربوهيدرات في الخلايا بشكل إيجابي مع الدراسات الأخرى 47، 48، 49، 50 باستخدام البكتيريا الزرقاء ويستخدم كمعيار محتمل لتطبيقات احتجاز الكربون واستخدامه / استعادته، مثل عمليات التخمير BECCS 49، 51 أو لإنتاج المواد القابلة للتحلل. البلاستيك الحيوي52 .وكجزء من الأساس المنطقي لهذه الدراسة، فإننا نفترض أن التشجير، حتى في إطار مفهوم الانبعاثات السلبية لـ BECCS، ليس علاجًا سحريًا لتغير المناخ، ويستهلك حصة مثيرة للقلق من الأراضي الصالحة للزراعة في العالم6.كتجربة فكرية، تشير التقديرات إلى أنه يجب إزالة ما بين 640 و950 جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي بحلول عام 2100 للحد من ارتفاع درجة الحرارة العالمية إلى 1.5 درجة مئوية53 (حوالي 8 إلى 12 جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا).إن تحقيق ذلك باستخدام مركب حيوي أفضل أداء (574.08 ± 30.19 طن ثاني أكسيد الكربون t-1 من الكتلة الحيوية سنويًا -1) سيتطلب توسيعًا في الحجم من 5.5 × 1010 إلى 8.2 × 1010 متر مكعب (مع كفاءة تمثيل ضوئي قابلة للمقارنة)، يحتوي على من 196 إلى 2.92 مليار لتر من البوليمر.وبافتراض أن 1 م3 من المركبات الحيوية يشغل 1 م2 من مساحة الأرض، فإن المساحة المطلوبة لاستيعاب إجمالي ثاني أكسيد الكربون السنوي المستهدف ستكون بين 5.5 و8.17 مليون هكتار، وهو ما يعادل 0.18-0.27% من المساحة المناسبة لحياة الأراضي في المنطقة. المناطق الاستوائية، وتقليص مساحة الأرض.الحاجة إلى BECCS بنسبة 98-99%.تجدر الإشارة إلى أن نسبة الالتقاط النظرية تعتمد على امتصاص ثاني أكسيد الكربون المسجل في الإضاءة المنخفضة.بمجرد تعرض المركب الحيوي لضوء طبيعي أكثر كثافة، يزداد معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون، مما يقلل بشكل أكبر من متطلبات الأراضي ويقلب الموازين نحو مفهوم المركب الحيوي.ومع ذلك، يجب أن يكون التنفيذ عند خط الاستواء من أجل ثبات شدة الإضاءة الخلفية ومدتها.
إن التأثير العالمي لتخصيب ثاني أكسيد الكربون، أي الزيادة في إنتاجية الغطاء النباتي الناجم عن زيادة توافر ثاني أكسيد الكربون، قد انخفض في معظم مناطق الأراضي، ربما بسبب التغيرات في المغذيات الرئيسية للتربة (N وP) والموارد المائية.وهذا يعني أن عملية التمثيل الضوئي الأرضي قد لا تؤدي إلى زيادة في امتصاص ثاني أكسيد الكربون، على الرغم من ارتفاع تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الهواء.وفي هذا السياق، فإن استراتيجيات التخفيف من تغير المناخ مثل BECCS أقل احتمالا للنجاح.إذا تم تأكيد هذه الظاهرة العالمية، فإن مركبنا الحيوي المستوحى من الأشنة يمكن أن يكون أحد الأصول الرئيسية، حيث يحول الميكروبات المائية أحادية الخلية التي تقوم بالتمثيل الضوئي إلى "عوامل أرضية".تعمل معظم النباتات الأرضية على تثبيت ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية التمثيل الضوئي لثاني أكسيد الكربون، في حين أن النباتات رباعية الكربون أكثر ملاءمة للموائل الأكثر دفئًا وجفافًا وتكون أكثر كفاءة عند الضغوط الجزئية الأعلى لثاني أكسيد الكربون.تقدم البكتيريا الزرقاء بديلاً يمكن أن يعوض التوقعات المزعجة بانخفاض التعرض لثاني أكسيد الكربون في مصانع C3.تغلبت البكتيريا الزرقاء على القيود التنفسية الضوئية من خلال تطوير آلية فعالة لتخصيب الكربون يتم من خلالها تقديم ضغوط جزئية أعلى من ثاني أكسيد الكربون والحفاظ عليها بواسطة ريبولوز -1،5-ثنائي فوسفات كربوكسيلاز / أوكسيجيناز (RuBisCo) داخل الكربوكسيلات المحيطة.إذا أمكن زيادة إنتاج المركبات الحيوية للبكتيريا الزرقاء، فقد يصبح هذا سلاحًا مهمًا للبشرية في مكافحة تغير المناخ.
توفر المركبات الحيوية (تقليد الأشنة) مزايا واضحة مقارنة بالطحالب الدقيقة التقليدية ومزارع البكتيريا الزرقاء المعلقة، مما يوفر معدلات امتصاص أعلى لثاني أكسيد الكربون، ويقلل من مخاطر التلوث، ويعد بتجنب ثاني أكسيد الكربون بشكل تنافسي.تقلل التكاليف بشكل كبير من استخدام الأراضي والمياه والمواد المغذية56.توضح هذه الدراسة جدوى تطوير وتصنيع لاتكس عالي الأداء ومتوافق حيويًا، والذي، عند دمجه مع إسفنجة الليفة كركيزة مرشحة، يمكن أن يوفر امتصاص ثاني أكسيد الكربون بكفاءة وفعالية على مدار أشهر من الجراحة مع الحفاظ على فقدان الخلايا إلى الحد الأدنى.يمكن للمركبات الحيوية من الناحية النظرية التقاط ما يقرب من 570 طنًا من ثاني أكسيد الكربون -1 من الكتلة الحيوية سنويًا وقد تكون أكثر أهمية من استراتيجيات التشجير BECCS في استجابتنا لتغير المناخ.ومع المزيد من التحسين لتركيبة البوليمر، والاختبار عند شدة ضوء أعلى، بالإضافة إلى الهندسة الأيضية المتقنة، يمكن لمهندسي الجيولوجيا الحيوية الأصليين في الطبيعة أن يهبوا مرة أخرى للإنقاذ.
تم تحضير بوليمرات اللاتكس الأكريليك باستخدام خليط من مونومرات الستايرين وأكريليت البوتيل وحمض الأكريليك، وتم ضبط الرقم الهيدروجيني إلى 7 مع 0.1 م من هيدروكسيد الصوديوم (الجدول 2).يشكل الستايرين وأكريليت البوتيل الجزء الأكبر من سلاسل البوليمر، بينما يساعد حمض الأكريليك في الحفاظ على جزيئات اللاتكس في حالة تعليق.يتم تحديد الخصائص الهيكلية لللاتكس من خلال درجة حرارة التزجج (Tg)، والتي يتم التحكم فيها عن طريق تغيير نسبة الستايرين وأكريليت البوتيل، والتي توفر خصائص "صلبة" و"ناعمة"، على التوالي.بوليمر اللاتكس الأكريليكي النموذجي هو 50:50 ستايرين: بوتيل أكريليت 30، لذلك في هذه الدراسة تمت الإشارة إلى اللاتكس بهذه النسبة باسم اللاتكس "العادي"، وتمت الإشارة إلى اللاتكس الذي يحتوي على محتوى أعلى من الستايرين على أنه لاتكس يحتوي على محتوى أقل من الستايرين. .تسمى "ناعمة" بـ "صعبة".
تم تحضير مستحلب أولي باستخدام الماء المقطر (174 جم)، بيكربونات الصوديوم (0.5 جم) ومادة Rhodapex Ab/20 ذات الفاعل بالسطح (30.92 جم) (سولفاي) لتثبيت قطرات المونومر الثلاثين.باستخدام حقنة زجاجية (هندسة الزجاج العلمي) مع مضخة حقنة، تمت إضافة قسامة ثانوية تحتوي على ستيرين وبوتيل أكريلات وحمض الأكريليك المدرجة في الجدول 2 قطرة قطرة بمعدل 100 مل ساعة-1 إلى المستحلب الأولي على مدى 4 ساعات (كول - بالمر، ماونت فيرنون، إلينوي).إعداد حل للبادئ البلمرة 59 باستخدام DH O وكبريتات الأمونيوم (100 مل، 3٪ وزن / وزن).
قم بتحريك المحلول المحتوي على dH O (206 جم)، وبيكربونات الصوديوم (1 جم) وRhodapex Ab/20 (4.42 جم) باستخدام محرك علوي (قيمة Heidolph Hei-TORQUE 100) مع مروحة من الفولاذ المقاوم للصدأ وقم بتسخينه إلى 82 درجة مئوية في وعاء مغلف بالماء في حمام مائي ساخن VWR Scientific 1137P.تمت إضافة محلول منخفض الوزن من المونومر (28.21 جم) والبادئ (20.60 جم) قطرة قطرة إلى الوعاء المغلف وتقليبه لمدة 20 دقيقة.قم بخلط المونومر المتبقي (150 مل ح-1) ومحلول البادئ (27 مل ح-1) بقوة للحفاظ على الجزيئات في التعليق حتى تتم إضافتها إلى سترة الماء على مدى 5 ساعات باستخدام محاقن 10 مل و 100 مل على التوالي في حاوية .اكتمل بمضخة حقنة.تمت زيادة سرعة التحريك بسبب زيادة حجم الملاط لضمان الاحتفاظ بالملاط.بعد إضافة البادئ والمستحلب، يتم رفع درجة حرارة التفاعل إلى 85 درجة مئوية، ويقلب جيدًا عند 450 دورة في الدقيقة لمدة 30 دقيقة، ثم يبرد إلى 65 درجة مئوية.بعد التبريد، تمت إضافة محلولي إزاحة إلى اللاتكس: ثالثي بيوتيل هيدروبيروكسيد (t-BHP) (70% في الماء) (5 جم، 14% بالوزن) وحمض الأيزوسكوربيك (5 جم، 10% بالوزن)..أضف t-BHP قطرة قطرة واتركها لمدة 20 دقيقة.تمت بعد ذلك إضافة حمض الإريثوربيك بمعدل 4 مل/ساعة من محقنة سعة 10 مل باستخدام مضخة حقنة.تم بعد ذلك تبريد محلول اللاتكس إلى درجة حرارة الغرفة وضبطه إلى الرقم الهيدروجيني 7 باستخدام 0.1 مولار من هيدروكسيد الصوديوم.
تمت إضافة 2,2,4-تريميثيل-1,3-بنتانيديول أحادي إيزوبيوتيرات (تكسانول) - متحد قابل للتحلل بيولوجيًا منخفض السمية لدهانات اللاتكس 37,60 - مع حقنة ومضخة في ثلاثة مجلدات (0، 4، 12٪ حجم / حجم) كعامل دمج لخليط اللاتكس لتسهيل تكوين الفيلم أثناء التجفيف.تم تحديد نسبة المواد الصلبة اللاتكس عن طريق وضع 100 ميكرولتر من كل بوليمر في أغطية رقائق الألومنيوم الموزونة مسبقًا وتجفيفها في فرن عند درجة حرارة 100 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
لنقل الضوء، تم تطبيق كل خليط من اللاتكس على شريحة مجهرية باستخدام مكعب قطرة من الفولاذ المقاوم للصدأ تمت معايرته لإنتاج أفلام بحجم 100 ميكرومتر وتم تجفيفه عند درجة حرارة 20 درجة مئوية لمدة 48 ساعة.تم قياس انتقال الضوء (الذي يركز على الإشعاع النشط ضوئيًا، 400-700 نانومتر) على مقياس الطيف ILT950 SpectriLight مع مستشعر على مسافة 35 سم من مصباح فلورسنت 30 وات (Sylvania Luxline Plus، n = 6) - حيث الضوء وكان المصدر البكتيريا الزرقاء والكائنات الحية يتم الحفاظ على المواد المركبة.تم استخدام الإصدار 3.5 من برنامج SpectrILight III لتسجيل الإضاءة والإرسال في نطاق 400-700 نانومتر61.تم وضع جميع العينات أعلى المستشعر، وتم استخدام شرائح زجاجية غير مطلية كعناصر تحكم.
تمت إضافة عينات اللاتكس إلى طبق خبز السيليكون وتركها حتى تجف لمدة 24 ساعة قبل اختبار صلابتها.ضع عينة اللاتكس المجففة على غطاء فولاذي تحت مجهر x10.بعد التركيز، تم تقييم العينات باستخدام جهاز اختبار الصلابة الدقيقة Buehler Micromet II.تم تعريض العينة لقوة تتراوح من 100 إلى 200 جرام وتم ضبط وقت التحميل على 7 ثوانٍ لإنشاء ثقب ماسي في العينة.تم تحليل الطباعة باستخدام مجهر Bruker Alicona × 10 مع برنامج إضافي لقياس الشكل.تم استخدام صيغة صلابة فيكرز (المعادلة 1) لحساب صلابة كل لاتكس، حيث HV هو رقم فيكرز، F هي القوة المطبقة، وd هو متوسط ​​أقطار المسافة البادئة المحسوبة من ارتفاع وعرض اللاتكس.قيمة المسافة البادئة.لا يمكن قياس مادة اللاتكس "الناعمة" بسبب الالتصاق والتمدد أثناء اختبار المسافة البادئة.
لتحديد درجة حرارة التزجج (Tg) لتركيبة اللاتكس، تم وضع عينات البوليمر في أطباق هلام السيليكا، وتجفيفها لمدة 24 ساعة، ووزنها إلى 0.005 جم، ووضعها في أطباق العينات.تمت تغطية الطبق ووضعه في مقياس ألوان المسح التفاضلي (PerkinElmer DSC 8500، Intercooler II، برنامج تحليل بيانات Pyris)62.يتم استخدام طريقة التدفق الحراري لوضع الأكواب المرجعية وأكواب العينات في نفس الفرن باستخدام مسبار درجة الحرارة المدمج لقياس درجة الحرارة.تم استخدام إجمالي منحدرين لإنشاء منحنى ثابت.تم رفع طريقة العينة بشكل متكرر من -20 درجة مئوية إلى 180 درجة مئوية بمعدل 20 درجة مئوية في الدقيقة.يتم تخزين كل نقطة بداية ونهاية لمدة دقيقة واحدة لمراعاة تأخر درجة الحرارة.
لتقييم قدرة المركب الحيوي على امتصاص ثاني أكسيد الكربون، تم إعداد العينات واختبارها بنفس الطريقة كما في دراستنا السابقة.تم تقطيع قطعة القماش المجففة والمعقمة إلى شرائح بحجم 1 × 1 × 5 سم تقريبًا ووزنها.ضع 600 ميكرولتر من الطلاءين الحيويين الأكثر فعالية لكل سلالة من البكتيريا الزرقاء على أحد طرفي كل شريط ليفة، بحيث يغطي حوالي 1 × 1 × 3 سم، وجففه في الظلام عند درجة حرارة 20 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.نظرًا للبنية المسامية الكبيرة لللوفة، تم إهدار بعض التركيبة، لذا لم تكن كفاءة تحميل الخلية 100%.للتغلب على هذه المشكلة، تم تحديد وزن المستحضر الجاف على اللوف وتطبيعه مع المستحضر الجاف المرجعي.تم تحضير الضوابط اللاأحيائية التي تتكون من اللوف واللاتكس ووسط المغذيات المعقم بطريقة مماثلة.
لإجراء اختبار امتصاص ثاني أكسيد الكربون بنصف دفعة، ضع المركب الحيوي (ن = 3) في أنبوب زجاجي سعة 50 مل بحيث يكون أحد طرفي المركب الحيوي (بدون الطلاء الحيوي) على اتصال مع 5 مل من وسط النمو، مما يسمح للمغذيات بالنمو. يتم نقلها عن طريق العمل الشعري..الزجاجة مختومة بفلين مطاط البوتيل بقطر 20 ملم ومجعد بغطاء من الألومنيوم الفضي.بمجرد غلقها، قم بحقن 45 مل من 5% ثاني أكسيد الكربون/الهواء بإبرة معقمة متصلة بحقنة محكمة الغلق بالغاز.كانت كثافة الخلية لتعليق التحكم (ن = 3) مكافئة لحمل الخلية للمركب الحيوي في الوسط المغذي.تم إجراء الاختبارات عند 18 ± 2 درجة مئوية مع فترة ضوئية تبلغ 16:8 وفترة ضوئية قدرها 30.5 ميكرومول م-2 ث-1.تمت إزالة مساحة الرأس كل يومين باستخدام حقنة محكمة الغلق للغاز وتحليلها باستخدام مقياس ثاني أكسيد الكربون مع امتصاص الأشعة تحت الحمراء GEOTech G100 لتحديد النسبة المئوية لثاني أكسيد الكربون الممتص.أضف كمية متساوية من خليط غاز ثاني أكسيد الكربون.
يتم حساب % CO2 Fix على النحو التالي: % CO2 Fix = 5% (v/v) - اكتب %CO2 (المعادلة 2) حيث P = الضغط، V = الحجم، T = درجة الحرارة، و R = ثابت الغاز المثالي.
تم تطبيع معدلات امتصاص ثاني أكسيد الكربون المبلغ عنها لتعليق التحكم في البكتيريا الزرقاء والمركبات الحيوية إلى الضوابط غير البيولوجية.الوحدة الوظيفية للكتلة الحيوية g هي كمية الكتلة الحيوية الجافة المثبتة على قطعة القماش.ويتم تحديد ذلك عن طريق وزن عينات الليف قبل وبعد تثبيت الخلايا.حساب كتلة حمل الخلية (مكافئ الكتلة الحيوية) عن طريق وزن المستحضرات بشكل فردي قبل وبعد التجفيف وعن طريق حساب كثافة تحضير الخلية (المعادلة 3).من المفترض أن تكون الاستعدادات الخلوية متجانسة أثناء التثبيت.
تم استخدام Minitab 18 وMicrosoft Excel مع الوظيفة الإضافية RealStatistics للتحليل الإحصائي.تم اختبار الحالة الطبيعية باستخدام اختبار أندرسون-دارلنج، واختبار مساواة التباين باستخدام اختبار ليفين.تم تحليل البيانات التي تلبي هذه الافتراضات باستخدام تحليل التباين ثنائي الاتجاه (ANOVA) مع اختبار توكي كتحليل لاحق.تم تحليل البيانات ذات الاتجاهين التي لا تستوفي افتراضات الحالة الطبيعية والتباين المتساوي باستخدام اختبار Shirer-Ray-Hara ثم اختبار Mann-Whitney U لتحديد الأهمية بين العلاجات.تم استخدام النماذج الخطية المعممة المختلطة (GLM) للبيانات غير الطبيعية بثلاثة عوامل، حيث تم تحويل البيانات باستخدام تحويل جونسون.تم إجراء الارتباطات اللحظية لمنتجات بيرسون لتقييم العلاقة بين تركيز التيكسانول ودرجة حرارة التزجج وسمية اللاتكس وبيانات الالتصاق.