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A captura e o armazenamento de carbono são essenciais para atingir os objetivos do Acordo de Paris.A fotossíntese é a tecnologia da natureza para capturar carbono.Inspirando-nos nos líquenes, desenvolvemos um biocompósito fotossintético de cianobactérias 3D (isto é, imitando o líquen) usando um polímero de látex acrílico aplicado a uma esponja de bucha.A taxa de absorção de CO2 pelo biocompósito foi de 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 de biomassa d-1.A taxa de absorção é baseada na biomassa seca no início do experimento e inclui o CO2 usado para cultivar nova biomassa, bem como o CO2 contido em compostos de armazenamento, como carboidratos.Essas taxas de absorção foram 14-20 vezes maiores do que as medidas de controle de chorume e poderiam ser potencialmente ampliadas para capturar 570 t CO2 t-1 de biomassa por ano-1, equivalente a 5,5-8,17 × 106 hectares de uso da terra, removendo 8-12 GtCO2 CO2 por ano.Em contraste, a bioenergia florestal com captura e armazenamento de carbono é de 0,4–1,2 × 109 ha.O biocompósito permaneceu funcional por 12 semanas sem nutrientes adicionais ou água, após o que o experimento foi encerrado.Dentro da postura tecnológica multifacetada da humanidade para combater as mudanças climáticas, os biocompósitos de cianobactérias projetados e otimizados têm o potencial de implantação sustentável e escalonável para aumentar a remoção de CO2 e, ao mesmo tempo, reduzir as perdas de água, nutrientes e uso da terra.
As alterações climáticas são uma ameaça real à biodiversidade global, à estabilidade dos ecossistemas e às pessoas.Para mitigar os seus piores efeitos, são necessários programas de descarbonização coordenados e em grande escala e, claro, é necessária alguma forma de remoção directa dos gases com efeito de estufa da atmosfera.Apesar da descarbonização positiva da produção de electricidade2,3, não existem actualmente soluções tecnológicas economicamente sustentáveis para reduzir o dióxido de carbono (CO2) atmosférico4, embora a captura de gases de combustão esteja a progredir5.Em vez de soluções de engenharia escaláveis e práticas, as pessoas deveriam recorrer a engenheiros naturais para a captura de carbono – organismos fotossintéticos (organismos fototróficos).A fotossíntese é a tecnologia de sequestro de carbono da natureza, mas a sua capacidade de reverter o enriquecimento antropogénico de carbono em escalas de tempo significativas é questionável, as enzimas são ineficientes e a sua capacidade de implantação em escalas apropriadas é questionável.Um caminho potencial para a fototrofia é a florestação, que corta árvores para bioenergia com captura e armazenamento de carbono (BECCS) como uma tecnologia de emissões negativas que pode ajudar a reduzir as emissões líquidas de CO21.No entanto, para atingir a meta de temperatura de 1,5°C do Acordo de Paris, utilizando o BECCS como método principal, seriam necessários 0,4 a 1,2 × 109 ha, o equivalente a 25-75% da atual terra arável global6.Além disso, a incerteza associada aos efeitos globais da fertilização com CO2 põe em causa a potencial eficiência global das plantações florestais7.Se quisermos atingir as metas de temperatura estabelecidas pelo Acordo de Paris, 100 segundos de GtCO2 de gases de efeito estufa (GGR) devem ser removidos da atmosfera a cada ano.O Departamento de Pesquisa e Inovação do Reino Unido anunciou recentemente financiamento para cinco projetos GGR8, incluindo gestão de turfeiras, melhor intemperismo de rochas, plantação de árvores, biochar e culturas perenes para alimentar o processo BECCS.Os custos de remoção de mais de 130 MtCO2 da atmosfera por ano são de 10-100 US$/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 por ano para restauração de turfeiras, 52-480 US$/tCO2 e 12-27 MtCO2 por ano para intemperismo de rochas. , 0,4-30 USD/ano.tCO2, 3,6 MtCO2/ano, aumento de 1% na área florestal, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/ano, biochar, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 por ano para culturas permanentes usando BECCS9.
Uma combinação destas abordagens poderia potencialmente atingir a meta de 130 Mt CO2 por ano, mas os custos da meteorização das rochas e do BECCS são elevados, e o biochar, embora relativamente barato e não relacionado com o uso da terra, requer matéria-prima para o processo de produção de biochar.oferece este desenvolvimento e número para implantar outras tecnologias GGR.
Em vez de procurar soluções em terra, procure água, especialmente fototróficos unicelulares, como microalgas e cianobactérias10.As algas (incluindo as cianobactérias) capturam aproximadamente 50% do dióxido de carbono mundial, embora representem apenas 1% da biomassa mundial11.As cianobactérias são biogeoengenheiros originais da natureza, estabelecendo as bases para o metabolismo respiratório e a evolução da vida multicelular através da fotossíntese oxigenada12.A ideia de usar cianobactérias para capturar carbono não é nova, mas métodos inovadores de colocação física abrem novos horizontes para esses organismos antigos.
Lagoas abertas e fotobiorreatores são ativos padrão quando se utilizam microalgas e cianobactérias para fins industriais.Esses sistemas de cultura utilizam uma cultura em suspensão na qual as células flutuam livremente em um meio de crescimento14;no entanto, lagoas e fotobiorreatores têm muitas desvantagens, como baixa transferência de massa de CO2, uso intensivo de terra e água, suscetibilidade à bioincrustação e altos custos de construção e operação15,16.Os biorreatores de biofilme que não utilizam culturas em suspensão são mais econômicos em termos de água e espaço, mas correm o risco de danos por dessecação, são propensos ao desprendimento do biofilme (e, portanto, à perda de biomassa ativa) e são igualmente propensos à bioincrustação17.
Novas abordagens são necessárias para aumentar a taxa de absorção de CO2 e resolver os problemas que limitam os reatores de pasta fluida e de biofilme.Uma dessas abordagens são os biocompósitos fotossintéticos inspirados em líquenes.Os líquenes são um complexo de fungos e fotobiontes (microalgas e/ou cianobactérias) que cobrem aproximadamente 12% da área terrestre do planeta18.Os fungos fornecem suporte físico, proteção e ancoragem do substrato fotobiótico, que por sua vez fornece carbono aos fungos (como excesso de produtos fotossintéticos).O biocompósito proposto é um “mimético de líquen”, no qual uma população concentrada de cianobactérias é imobilizada na forma de um biorevestimento fino sobre um substrato transportador.Além das células, o biorevestimento contém uma matriz polimérica que pode substituir o fungo.Emulsões poliméricas à base de água ou “látexes” são preferidas porque são biocompatíveis, duráveis, baratas, fáceis de manusear e disponíveis comercialmente19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
A fixação das células com polímeros de látex é muito influenciada pela composição do látex e pelo processo de formação do filme.A polimerização em emulsão é um processo heterogêneo utilizado para produzir borracha sintética, revestimentos adesivos, selantes, aditivos para concreto, revestimentos de papel e têxteis e tintas látex27.Apresenta uma série de vantagens em relação a outros métodos de polimerização, como alta taxa de reação e eficiência de conversão de monômeros, além de facilidade de controle do produto27,28.A escolha dos monômeros depende das propriedades desejadas do filme polimérico resultante, e para sistemas de monômeros mistos (isto é, copolimerizações), as propriedades do polímero podem ser alteradas selecionando diferentes proporções de monômeros que formam o material polimérico resultante.O acrilato de butila e o estireno estão entre os monômeros de látex acrílico mais comuns e são usados aqui.Além disso, agentes coalescentes (por exemplo, Texanol) são frequentemente usados para promover a formação uniforme de filme onde podem alterar as propriedades do látex polimérico para produzir um revestimento forte e “contínuo” (coalescente).Em nosso estudo inicial de prova de conceito, um biocompósito 3D de alta área superficial e alta porosidade foi fabricado usando uma tinta látex comercial aplicada a uma esponja de bucha.Após manipulações longas e contínuas (oito semanas), o biocompósito mostrou capacidade limitada de reter cianobactérias na estrutura da bucha porque o crescimento celular enfraqueceu a integridade estrutural do látex.No presente estudo, pretendemos desenvolver uma série de polímeros de látex acrílico de química conhecida para uso contínuo em aplicações de captura de carbono sem sacrificar a degradação do polímero.Ao fazer isso, demonstramos a capacidade de criar elementos de matriz polimérica semelhantes a líquenes que proporcionam melhor desempenho biológico e aumento significativo da elasticidade mecânica em comparação com biocompósitos comprovados.A otimização adicional acelerará a absorção de biocompósitos para captura de carbono, especialmente quando combinados com cianobactérias geneticamente modificadas para aumentar o sequestro de CO2.
Nove látexes com três formulações poliméricas (H = “duro”, N = “normal”, S = “macio”) e três tipos de Texanol (0, 4, 12% v/v) foram testados quanto à toxicidade e correlação de deformação.Adesivo.de duas cianobactérias.O tipo de látex influenciou significativamente S. elongatus PCC 7942 (teste Shirer-Ray-Hare, látex: DF=2, H=23,157, P=<0,001) e CCAP 1479/1A (ANOVA bidirecional, látex: DF=2, F = 103,93, P = <0,001) (Fig. 1a).A concentração de texanol não afetou significativamente o crescimento de S. elongatus PCC 7942, apenas o N-látex não foi tóxico (Fig. 1a), e 0 N e 4 N mantiveram o crescimento de 26% e 35%, respectivamente (Mann- Whitney U, 0 N vs. 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N versus controle: W = 25,0, P = 0,061; 4 N versus controle: W = 25,0, P = 0,061) e 12 N mantiveram um crescimento comparável ao controle biológico (Mann-Whitney University, 12 N vs. controle: W = 17,0, P = 0,885).Para S. elongatus CCAP 1479/1A, tanto a mistura de látex quanto a concentração de texanol foram fatores importantes, e uma interação significativa foi observada entre os dois (ANOVA bidirecional, látex: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Texanol : DF=2, F=5,96, P=0,01, Látex*Texanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N e todos os látex “macios” promoveram o crescimento (Fig. 1a).Há uma tendência de melhorar o crescimento com a diminuição da composição do estireno.
Testes de toxicidade e adesão de cianobactérias (Synechococcus elongatus PCC 7942 e CCAP 1479/1A) a formulações de látex, relação com temperatura de transição vítrea (Tg) e matriz de decisão baseada em dados de toxicidade e adesão.(a) O teste de toxicidade foi realizado utilizando gráficos separados de percentagem de crescimento de cianobactérias normalizadas para controlar culturas em suspensão.Os tratamentos marcados com * são significativamente diferentes dos controles.(b) Dados de crescimento de cianobactérias versus látex Tg (média ± DP; n = 3).(c) O número cumulativo de cianobactérias liberadas no teste de adesão do biocompósito.(d) Dados de adesão versus Tg do látex (média ± StDev; n = 3).e Matriz de decisão baseada em dados de toxicidade e adesão.A proporção de estireno para acrilato de butila é de 1:3 para látex “duro” (H), 1:1 para látex “normal” (N) e 3:1 para látex “macio” (S).Os números anteriores no código do látex correspondem ao conteúdo do Texanol.
Na maioria dos casos, a viabilidade celular diminuiu com o aumento da concentração de texanol, mas não houve correlação significativa para nenhuma das cepas (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).Na fig.1b mostra a relação entre o crescimento celular e a temperatura de transição vítrea (Tg).Existe uma forte correlação negativa entre a concentração de texanol e os valores de Tg (H-látex: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-látex: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 ; S-látex: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Os dados mostraram que a Tg ideal para o crescimento de S. elongatus PCC 7942 foi em torno de 17 °C (Figura 1b), enquanto S. elongatus CCAP 1479/1A favoreceu Tg abaixo de 0 °C (Figura 1b).Apenas S. elongatus CCAP 1479/1A teve uma forte correlação negativa entre Tg e dados de toxicidade (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Todos os látex apresentaram boa afinidade de adesão e nenhum deles liberou mais de 1% das células após 72 h (Fig. 1c).Não houve diferença significativa entre os látices das duas cepas de S. elongatus (PCC 7942: teste Scheirer-Ray-Hara, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Teste de raios).– Teste de lebre, látex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).À medida que a concentração de Texanol aumenta, mais células são liberadas (Figura 1c).em comparação com S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Figura 1d).Além disso, não houve relação estatística entre Tg e adesão celular das duas cepas (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Para ambas as cepas, os polímeros de látex “duros” foram ineficazes.Em contraste, 4N e 12N tiveram melhor desempenho contra S. elongatus PCC 7942, enquanto 4S e 12S tiveram melhor desempenho contra CCAP 1479/1A (Fig. 1e), embora haja claramente espaço para otimização adicional da matriz polimérica.Esses polímeros têm sido usados em testes de absorção líquida de CO2 semi-lote.
A fotofisiologia foi monitorada durante 7 dias utilizando células suspensas em uma composição aquosa de látex.Em geral, tanto a taxa aparente de fotossíntese (PS) como o rendimento quântico máximo do PSII (Fv/Fm) diminuem com o tempo, mas esta diminuição é desigual e alguns conjuntos de dados PS mostram uma resposta bifásica, sugerindo uma resposta parcial, embora a recuperação em tempo real atividade PS mais curta (Fig. 2a e 3b).A resposta bifásica Fv/Fm foi menos pronunciada (Figuras 2b e 3b).
(a) Taxa aparente de fotossíntese (PS) e (b) rendimento quântico máximo de PSII (Fv/Fm) de Synechococcus elongatus PCC 7942 em resposta a formulações de látex em comparação com culturas de suspensão de controle.A proporção de estireno para acrilato de butila é de 1:3 para látex “duro” (H), 1:1 para látex “normal” (N) e 3:1 para látex “macio” (S).Os números anteriores no código do látex correspondem ao conteúdo do Texanol.(média ± desvio padrão; n = 3).
(a) Taxa aparente de fotossíntese (PS) e (b) rendimento quântico máximo de PSII (Fv/Fm) de Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A em resposta a formulações de látex em comparação com culturas de suspensão de controle.A proporção de estireno para acrilato de butila é de 1:3 para látex “duro” (H), 1:1 para látex “normal” (N) e 3:1 para látex “macio” (S).Os números anteriores no código do látex correspondem ao conteúdo do Texanol.(média ± desvio padrão; n = 3).
Para S. elongatus PCC 7942, a composição do látex e a concentração de Texanol não afetaram o PS ao longo do tempo (GLM, Látex*Texanol*Tempo, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), embora a composição tenha sido um fator importante (GLM)., látex*tempo, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Fig. 2a).Não houve efeito significativo da concentração de Texanol ao longo do tempo (GLM, Texanol*tempo, DF=14, F=1,63, P=0,078).Houve uma interação significativa afetando Fv/Fm (GLM, Látex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).A interação entre a formulação de látex e a concentração de Texanol teve um efeito significativo em Fv/Fm (GLM, Látex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Cada parâmetro também afeta Fv/Fm ao longo do tempo (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 e Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).O látex 12H manteve os menores valores médios de PS e Fv/Fm (Fig. 2b), indicando que este polímero é mais tóxico.
PS de S. elongatus CCAP 1479/1A foi significativamente diferente (GLM, látex * Texanol * tempo, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), com composição de látex em vez de concentração de Texanol (GLM, Látex *tempo, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*tempo, DF=14, F=1,26, P=0,239).Os polímeros “macios” 0S e 4S mantiveram níveis ligeiramente mais elevados de desempenho de PS do que as suspensões de controle (Mann-Whitney U, 0S versus controles, W = 686,0, P = 0,044, 4S versus controles, W = 713, P = 0,01) e mantiveram uma Fv melhorado./Fm (Fig. 3a) mostra um transporte mais eficiente para o Fotossistema II.Para valores de Fv/Fm de células CCAP 1479/1A, houve uma diferença significativa de látex ao longo do tempo (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Figura 3b).).
Na fig.4 mostra a média de PS e Fv/Fm durante um período de 7 dias em função do crescimento celular para cada cepa.S. elongatus PCC 7942 não tinha um padrão claro (Fig. 4a e b), no entanto, CCAP 1479/1A mostrou uma relação parabólica entre os valores de PS (Fig. 4c) e Fv/Fm (Fig. 4d) como o as proporções de estireno e acrilato de butila aumentam com a mudança.
Relação entre crescimento e fotofisiologia de Synechococcus longum em preparações de látex.(a) Dados de toxicidade plotados em relação à taxa fotossintética aparente (PS), (b) rendimento quântico máximo de PSII (Fv/Fm) de PCC 7942. c Dados de toxicidade plotados em relação a PS e d Fv/Fm CCAP 1479/1A.A proporção de estireno para acrilato de butila é de 1:3 para látex “duro” (H), 1:1 para látex “normal” (N) e 3:1 para látex “macio” (S).Os números anteriores no código do látex correspondem ao conteúdo do Texanol.(média ± desvio padrão; n = 3).
O biocompósito PCC 7942 teve um efeito limitado na retenção celular com lixiviação celular significativa durante as primeiras quatro semanas (Figura 5).Após a fase inicial de captação de CO2, as células fixadas com látex 12 N começaram a liberar CO2, e esse padrão persistiu entre os dias 4 e 14 (Fig. 5b).Estes dados são consistentes com observações de descoloração do pigmento.A absorção líquida de CO2 começou novamente a partir do dia 18. Apesar da liberação celular (Fig. 5a), o biocompósito PCC 7942 12 N ainda acumulou mais CO2 do que a suspensão de controle ao longo de 28 dias, embora ligeiramente (teste U de Mann-Whitney, W = 2275,5; P = 0,066).A taxa de absorção de CO2 pelo látex 12 N e 4 N é de 0,51 ± 0,34 e 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 de biomassa d-1.Houve diferença estatisticamente significativa entre os níveis de tratamento e tempo (teste de Chairer-Ray-Hare, tratamento: DF=2, H=70,62, P=<0,001 tempo: DF=13, H=23,63, P=0,034), mas não foi.houve relação significativa entre tratamento e tempo (teste Chairer-Ray-Har, tempo*tratamento: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Testes de absorção de CO2 de meio lote em biocompósitos de Synechococcus elongatus PCC 7942 usando látex 4N e 12N.(a) As imagens mostram liberação celular e descoloração do pigmento, bem como imagens SEM do biocompósito antes e depois do teste.Linhas pontilhadas brancas indicam os locais de deposição celular no biocompósito.(b) Absorção líquida acumulada de CO2 durante um período de quatro semanas.O látex “normal” (N) tem uma proporção de estireno para acrilato de butila de 1:1.Os números anteriores no código do látex correspondem ao conteúdo do Texanol.(média ± desvio padrão; n = 3).
A retenção celular foi significativamente melhorada para a cepa CCAP 1479/1A com 4S e 12S, embora o pigmento tenha mudado lentamente de cor ao longo do tempo (Fig. 6a).O biocompósito CCAP 1479/1A absorve CO2 por 84 dias completos (12 semanas) sem suplementos nutricionais adicionais.A análise SEM (Fig. 6a) confirmou a observação visual do descolamento de pequenas células.Inicialmente, as células foram envolvidas por um revestimento de látex que manteve a sua integridade apesar do crescimento celular.A taxa de captação de CO2 foi significativamente maior que a do grupo controle (teste de Scheirer-Ray-Har, tratamento: DF=2; H=240,59; P=<0,001, tempo: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Figura 6b).O biocompósito 12S alcançou a maior absorção de CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 de biomassa por dia), enquanto o látex 4S foi de 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 de biomassa por dia, mas não diferiram significativamente (Mann-Whitney U (teste de Shirer-Rey-Hara, tempo * tratamento: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Teste de absorção de CO2 de meio lote usando biocompósitos Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A com látex 4N e 12N.(a) As imagens mostram liberação celular e descoloração do pigmento, bem como imagens SEM do biocompósito antes e depois do teste.Linhas pontilhadas brancas indicam os locais de deposição celular no biocompósito.(b) Absorção líquida acumulada de CO2 durante o período de doze semanas.O látex “macio” (S) tem uma proporção de estireno para acrilato de butila de 1:1.Os números anteriores no código do látex correspondem ao conteúdo do Texanol.(média ± desvio padrão; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (teste Shirer-Ray-Har, tempo*tratamento: DF=4, H=3,243, P=0,518) ou biocompósito S. elongatus CCAP 1479/1A (duas ANOVA, tempo*tratamento: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Fig. S4).O biocompósito PCC 7942 apresentou o maior teor de carboidratos na semana 2 (4 N = 59,4 ± 22,5% em peso, 12 N = 67,9 ± 3,3% em peso), enquanto a suspensão controle apresentou maior teor de carboidratos na semana 4 quando (controle = 59,6 ± 2,84% c/c).O conteúdo total de carboidratos do biocompósito CCAP 1479/1A foi comparável à suspensão controle, exceto no início do ensaio, com algumas alterações no látex 12S na semana 4. Os valores mais altos para o biocompósito foram 51,9 ± 9,6% em peso. para 4S e 77,1 ± 17,0% em peso para 12S.
Nós nos propusemos a demonstrar possibilidades de projeto para melhorar a integridade estrutural de revestimentos de polímero de látex de película fina como um componente importante do conceito de biocompósito mimetizador de líquen, sem sacrificar a biocompatibilidade ou o desempenho.De fato, se os desafios estruturais associados ao crescimento celular forem superados, esperamos melhorias significativas de desempenho em relação aos nossos biocompósitos experimentais, que já são comparáveis a outros sistemas de captura de carbono de cianobactérias e microalgas.
Os revestimentos devem ser atóxicos, duráveis, suportar adesão celular de longo prazo e devem ser porosos para promover transferência eficiente de massa de CO2 e desgaseificação de O2.Os polímeros acrílicos do tipo látex são fáceis de preparar e são amplamente utilizados nas indústrias de tintas, têxteis e adesivos30.Combinamos cianobactérias com uma emulsão de polímero de látex acrílico à base de água polimerizada com uma proporção específica de partículas de estireno/acrilato de butila e várias concentrações de Texanol.O estireno e o acrilato de butila foram escolhidos por serem capazes de controlar as propriedades físicas, especialmente a elasticidade e a eficiência de coalescência do revestimento (crítica para um revestimento forte e altamente adesivo), permitindo a síntese de agregados de partículas “duras” e “macias”.Os dados de toxicidade sugerem que o látex “duro” com alto teor de estireno não contribui para a sobrevivência das cianobactérias.Ao contrário do acrilato de butila, o estireno é considerado tóxico para algas32,33.As cepas de cianobactérias reagiram de maneira bastante diferente ao látex, e a temperatura ótima de transição vítrea (Tg) foi determinada para S. elongatus PCC 7942, enquanto S. elongatus CCAP 1479/1A mostrou uma relação linear negativa com Tg.
A temperatura de secagem afeta a capacidade de formar um filme de látex contínuo e uniforme.Se a temperatura de secagem estiver abaixo da Temperatura Mínima de Formação de Filme (MFFT), as partículas de látex polimérico não coalescerão totalmente, resultando em adesão apenas na interface das partículas.Os filmes resultantes apresentam baixa adesão e resistência mecânica, podendo até estar na forma de pó29.O MFFT está intimamente relacionado ao Tg, que pode ser controlado pela composição do monômero e pela adição de coalescentes como o Texanol.A Tg determina muitas das propriedades físicas do revestimento resultante, que pode estar no estado emborrachado ou vítreo34.De acordo com a equação de Flory-Fox35, a Tg depende do tipo de monômero e da composição percentual relativa.A adição de coalescente pode diminuir o MFFT pela supressão intermitente da Tg das partículas de látex, o que permite a formação de filme em temperaturas mais baixas, mas ainda forma um revestimento duro e forte porque o coalescente evapora lentamente ao longo do tempo ou foi extraído 36 .
O aumento da concentração de Texanol promove a formação de filme amolecendo as partículas do polímero (reduzindo a Tg) devido à absorção pelas partículas durante a secagem, aumentando assim a resistência do filme coesivo e a adesão celular.Como o biocompósito é seco à temperatura ambiente (~18–20°C), a Tg (30 a 55°C) do látex “duro” é superior à temperatura de secagem, o que significa que a coalescência das partículas pode não ser ideal, resultando em Filmes B que permanecem vítreos, propriedades mecânicas e adesivas pobres, elasticidade e difusividade limitadas levam, em última análise, a uma maior perda celular.A formação de filme a partir de polímeros “normais” e “macios” ocorre na Tg ou abaixo da Tg do filme polimérico, e a formação do filme é melhorada pela coalescência melhorada, resultando em filmes poliméricos contínuos com propriedades mecânicas, coesivas e adesivas melhoradas.O filme resultante permanecerá emborrachado durante os experimentos de captura de CO2 devido à sua Tg estar próxima da mistura “normal”: 12 a 20 ºC) ou muito menor (mistura “suave”: -21 a -13 °C) à temperatura ambiente 30 .O látex “duro” (3,4 a 2,9 kgf mm–1) é três vezes mais duro que o látex “normal” (1,0 a 0,9 kgf mm–1).A dureza dos látex “macios” não pode ser medida pela microdureza devido à sua excessiva borracha e pegajosidade à temperatura ambiente.A carga superficial também pode afetar a afinidade de adesão, mas são necessários mais dados para fornecer informações significativas.No entanto, todos os látex retiveram eficazmente as células, libertando menos de 1%.
A produtividade da fotossíntese diminui com o tempo.A exposição ao poliestireno leva à ruptura da membrana e ao estresse oxidativo38,39,40,41.Os valores de Fv/Fm de S. elongatus CCAP 1479/1A expostos a 0S e 4S foram quase duas vezes maiores em comparação ao controle de suspensão, o que está em boa concordância com a taxa de captação de CO2 do biocompósito 4S, bem como com valores médios de PS mais baixos.valores.Valores mais elevados de Fv/Fm indicam que o transporte de elétrons para PSII pode entregar mais fótons42, o que pode resultar em taxas de fixação de CO2 mais altas.No entanto, deve notar-se que os dados fotofisiológicos foram obtidos a partir de células suspensas em soluções aquosas de látex e podem não ser necessariamente diretamente comparáveis aos biocompósitos maduros.
Se o látex criar uma barreira à luz e/ou às trocas gasosas, resultando em restrição de luz e CO2, pode causar estresse celular e reduzir o desempenho, e se afetar a liberação de O2, a fotorrespiração39.A transmissão de luz dos revestimentos curados foi avaliada: o látex “duro” apresentou uma ligeira diminuição na transmissão de luz entre 440 e 480 nm (melhorada em parte pelo aumento da concentração de Texanol devido à melhor coalescência do filme), enquanto o látex “macio” e “regular” ”O látex mostrou uma ligeira diminuição na transmissão de luz.não mostra perda perceptível de perda.Os ensaios, assim como todas as incubações, foram realizados em baixa intensidade luminosa (30,5 µmol m-2 s-1), portanto qualquer radiação fotossinteticamente ativa devida à matriz polimérica será compensada e poderá até ser útil na prevenção da fotoinibição.em intensidades de luz prejudiciais.
O biocompósito CCAP 1479/1A funcionou durante os 84 dias de testes, sem renovação de nutrientes ou perda significativa de biomassa, o que é um objetivo chave do estudo.A despigmentação celular pode estar associada a um processo de clorose em resposta à falta de nitrogênio para alcançar a sobrevivência a longo prazo (estado de repouso), o que pode ajudar as células a retomar o crescimento após ter sido alcançada acumulação suficiente de nitrogênio.As imagens SEM confirmaram que as células permaneceram dentro do revestimento apesar da divisão celular, demonstrando a elasticidade do látex “macio” e mostrando assim uma clara vantagem sobre a versão experimental.O látex “macio” contém cerca de 70% de acrilato de butila (em peso), o que é muito superior à concentração indicada para um revestimento flexível após a secagem44.
A absorção líquida de CO2 foi significativamente maior que a da suspensão controle (14–20 e 3–8 vezes maior para S. elongatus CCAP 1479/1A e PCC 7942, respectivamente).Anteriormente, utilizamos um modelo de transferência de massa de CO2 para mostrar que o principal impulsionador da alta absorção de CO2 é um gradiente acentuado de concentração de CO2 na superfície do biocompósito e que o desempenho do biocompósito pode ser limitado pela resistência à transferência de massa.Este problema pode ser superado incorporando ingredientes não tóxicos e não formadores de filme no látex para aumentar a porosidade e a permeabilidade do revestimento26, mas a retenção celular pode ser comprometida, pois esta estratégia resultará inevitavelmente em um filme mais fraco20.A composição química pode ser alterada durante a polimerização para aumentar a porosidade, o que é a melhor opção, principalmente em termos de produção industrial e escalabilidade45.
O desempenho do novo biocompósito comparado a estudos recentes utilizando biocompósitos de microalgas e cianobactérias mostrou vantagens no ajuste da taxa de carga celular (Tabela 1)21,46 e com tempos de análise mais longos (84 dias versus 15 horas46 e 3 semanas21).
O conteúdo volumétrico de carboidratos nas células compara-se favoravelmente com outros estudos47,48,49,50 utilizando cianobactérias e é utilizado como um critério potencial para aplicações de captura e utilização/recuperação de carbono, como para processos de fermentação BECCS49,51 ou para a produção de biodegradáveis bioplásticos52 .Como parte da fundamentação deste estudo, assumimos que a florestação, mesmo considerada no conceito de emissões negativas do BECCS, não é uma panaceia para as alterações climáticas e consome uma parte alarmante das terras aráveis do mundo6.A título experimental, estimou-se que entre 640 e 950 GtCO2 teriam de ser removidos da atmosfera até 2100 para limitar o aumento da temperatura global a 1,5°C53 (cerca de 8 a 12 GtCO2 por ano).Conseguir isso com um biocompósito de melhor desempenho (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 de biomassa por ano-1) exigiria uma expansão de volume de 5,5 × 1010 para 8,2 × 1010 m3 (com eficiência fotossintética comparável), contendo de 196 a 2,92 bilhões de litros de polímero.Supondo que 1 m3 de biocompósitos ocupe 1 m2 de área de terra, a área necessária para absorver a meta anual total de CO2 será entre 5,5 e 8,17 milhões de hectares, o que equivale a 0,18-0,27% do adequado para a vida das terras no trópicos e reduzir a área terrestre.necessidade de BECCS em 98-99%.Deve-se notar que a taxa de captura teórica é baseada na absorção de CO2 registrada em condições de pouca luz.Assim que o biocompósito é exposto a luz natural mais intensa, a taxa de absorção de CO2 aumenta, reduzindo ainda mais as necessidades de terreno e inclinando ainda mais a balança em direção ao conceito de biocompósito.No entanto, a implementação deve estar no equador para intensidade e duração constantes da luz de fundo.
O efeito global da fertilização com CO2, ou seja, o aumento na produtividade da vegetação causado pelo aumento da disponibilidade de CO2, diminuiu na maioria das áreas terrestres, provavelmente devido a alterações nos principais nutrientes do solo (N e P) e nos recursos hídricos7.Isto significa que a fotossíntese terrestre pode não levar a um aumento na absorção de CO2, apesar das concentrações elevadas de CO2 no ar.Neste contexto, as estratégias terrestres de mitigação das alterações climáticas, como a BECCS, têm ainda menos probabilidades de sucesso.Se este fenómeno global for confirmado, o nosso biocompósito inspirado no líquen poderá ser um recurso fundamental, transformando micróbios fotossintéticos aquáticos unicelulares em “agentes terrestres”.A maioria das plantas terrestres fixam CO2 através da fotossíntese C3, enquanto as plantas C4 são mais favoráveis a habitats mais quentes e secos e são mais eficientes em pressões parciais de CO254 mais elevadas.As cianobactérias oferecem uma alternativa que poderia compensar as previsões alarmantes de redução da exposição ao dióxido de carbono nas plantas C3.As cianobactérias superaram as limitações fotorrespiratórias desenvolvendo um mecanismo eficiente de enriquecimento de carbono no qual pressões parciais mais altas de CO2 são apresentadas e mantidas pela ribulose-1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase (RuBisCo) dentro dos carboxossomos ao redor.Se a produção de biocompósitos de cianobactérias puder ser aumentada, isto poderá tornar-se uma arma importante para a humanidade na luta contra as alterações climáticas.
Os biocompósitos (mimetizadores de líquenes) oferecem vantagens claras sobre as culturas convencionais em suspensão de microalgas e cianobactérias, proporcionando taxas de absorção de CO2 mais elevadas, minimizando os riscos de poluição e prometendo evitar competitivamente o CO2.Os custos reduzem significativamente o uso de terra, água e nutrientes56.Este estudo demonstra a viabilidade de desenvolver e fabricar um látex biocompatível de alto desempenho que, quando combinado com uma esponja de bucha como substrato candidato, pode fornecer absorção eficiente e eficaz de CO2 durante meses de cirurgia, mantendo a perda celular ao mínimo.Os biocompósitos poderiam, teoricamente, capturar aproximadamente 570 t CO2 t-1 de biomassa por ano e podem revelar-se mais importantes do que as estratégias de florestação BECCS na nossa resposta às alterações climáticas.Com uma maior otimização da composição do polímero, testes em intensidades de luz mais elevadas e combinados com uma elaborada engenharia metabólica, os biogeoengenheiros originais da natureza podem mais uma vez vir em socorro.
Polímeros de látex acrílico foram preparados utilizando uma mistura de monômeros de estireno, acrilato de butila e ácido acrílico, e o pH foi ajustado para 7 com hidróxido de sódio 0,1 M (tabela 2).O estireno e o acrilato de butila constituem a maior parte das cadeias poliméricas, enquanto o ácido acrílico ajuda a manter as partículas de látex em suspensão57.As propriedades estruturais do látex são determinadas pela temperatura de transição vítrea (Tg), que é controlada pela alteração da proporção de estireno e acrilato de butila, que fornece propriedades “duras” e “macias”, respectivamente58.Um polímero de látex acrílico típico é estireno: acrilato de butila 50:50, portanto, neste estudo, o látex com essa proporção foi referido como látex “normal”, e o látex com maior teor de estireno foi referido como látex com menor teor de estireno .chamado de “suave” como “duro”.
Uma emulsão primária foi preparada utilizando água destilada (174 g), bicarbonato de sódio (0,5 g) e surfactante Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) para estabilizar as 30 gotículas de monômero.Usando uma seringa de vidro (Science Glass Engineering) com uma bomba de seringa, uma alíquota secundária contendo estireno, acrilato de butila e ácido acrílico listados na Tabela 2 foi adicionada gota a gota a uma taxa de 100 ml h-1 à emulsão primária durante 4 horas (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Preparar uma solução de iniciador de polimerização 59 usando dH O e persulfato de amônio (100 ml, 3% p/p).
Agite a solução contendo dHO (206 g), bicarbonato de sódio (1 g) e Rhodapex Ab/20 (4,42 g) usando um agitador suspenso (Heidolph Hei-TORQUE valor 100) com uma hélice de aço inoxidável e aqueça a 82°C em um recipiente com camisa de água em banho-maria aquecido VWR Scientific 1137P.Uma solução de peso reduzido de monômero (28,21 g) e iniciador (20,60 g) foi adicionada gota a gota ao recipiente encamisado e agitada durante 20 minutos.Misture vigorosamente as soluções restantes de monômero (150 ml h-1) e iniciador (27 ml h-1) para manter as partículas em suspensão até que sejam adicionadas à camisa de água durante 5 h usando seringas de 10 ml e 100 ml respectivamente em um recipiente .completado com uma bomba de seringa.A velocidade do agitador foi aumentada devido ao aumento no volume de pasta para garantir a retenção da pasta.Após a adição do iniciador e da emulsão, a temperatura da reação foi elevada para 85°C, agitada bem a 450 rpm durante 30 minutos e depois resfriada para 65°C.Após resfriamento, duas soluções de deslocamento foram adicionadas ao látex: hidroperóxido de terc-butila (t-BHP) (70% em água) (5 g, 14% em peso) e ácido isoascórbico (5 g, 10% em peso)..Adicione t-BHP gota a gota e deixe por 20 minutos.O ácido eritórbico foi então adicionado a uma taxa de 4 ml/h a partir de uma seringa de 10 ml usando uma bomba de seringa.A solução de látex foi então arrefecida até à temperatura ambiente e ajustada para pH 7 com hidróxido de sódio 0,1M.
Monoisobutirato de 2,2,4-Trimetil-1,3-pentanodiol (Texanol) – coalescente biodegradável de baixa toxicidade para tintas látex 37,60 – foi adicionado com seringa e bomba em três volumes (0, 4, 12% v/v) como agente coalescente para mistura de látex para facilitar a formação de filme durante a secagem37.A porcentagem de sólidos de látex foi determinada colocando 100 µl de cada polímero em tampas de papel alumínio pré-pesadas e secando em estufa a 100°C por 24 horas.
Para transmissão de luz, cada mistura de látex foi aplicada a uma lâmina de microscópio usando um cubo de aço inoxidável calibrado para produzir filmes de 100 µm e seco a 20°C por 48 horas.A transmissão de luz (focada na radiação fotossinteticamente ativa, λ 400–700 nm) foi medida em um espectrorradiômetro ILT950 SpectriLight com sensor a uma distância de 35 cm de uma lâmpada fluorescente de 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) - onde a luz a fonte foram cianobactérias e organismos. Os materiais compósitos são preservados.O software SpectrILight III versão 3.5 foi usado para registrar a iluminância e a transmissão na faixa λ 400–700 nm61.Todas as amostras foram colocadas no topo do sensor e lâminas de vidro não revestidas foram utilizadas como controle.
Amostras de látex foram adicionadas a uma assadeira de silicone e deixadas secar por 24 horas antes de serem testadas quanto à dureza.Coloque a amostra de látex seca em uma tampa de aço sob um microscópio x10.Após focagem, as amostras foram avaliadas em um microdureza Buehler Micromet II.A amostra foi submetida a uma força de 100 a 200 gramas e o tempo de carregamento foi ajustado para 7 segundos para criar um entalhe de diamante na amostra.A impressão foi analisada usando uma objetiva de microscópio Bruker Alicona × 10 com software adicional de medição de forma.A fórmula de dureza Vickers (Equação 1) foi utilizada para calcular a dureza de cada látex, onde HV é o número Vickers, F é a força aplicada e d é a média das diagonais de recuo calculadas a partir da altura e largura do látex.valor de recuo.O látex “macio” não pode ser medido devido à adesão e ao estiramento durante o teste de indentação.
Para determinar a temperatura de transição vítrea (Tg) da composição de látex, amostras de polímero foram colocadas em placas de sílica gel, secas por 24 horas, pesadas até 0,005 g e colocadas em placas de amostra.A placa foi tampada e colocada em um colorímetro de varredura diferencial (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, software de análise de dados Pyris)62.O método de fluxo de calor é usado para colocar copos de referência e copos de amostra no mesmo forno com uma sonda de temperatura integrada para medir a temperatura.Um total de duas rampas foram usadas para criar uma curva consistente.O método de amostragem foi aumentado repetidamente de -20°C a 180°C a uma taxa de 20°C por minuto.Cada ponto inicial e final é armazenado por 1 minuto para compensar o atraso de temperatura.
Para avaliar a capacidade do biocompósito de absorver CO2, amostras foram preparadas e testadas da mesma forma que em nosso estudo anterior31.A toalha seca e autoclavada foi cortada em tiras de aproximadamente 1x1x5 cm e pesada.Aplicar 600 µl dos dois biorrevestimentos mais eficazes de cada cepa de cianobactéria em uma extremidade de cada tira de bucha, cobrindo aproximadamente 1 × 1 × 3 cm, e secar no escuro a 20°C por 24 horas.Devido à estrutura macroporosa da bucha, parte da fórmula foi desperdiçada, de modo que a eficiência de carregamento das células não foi de 100%.Para superar este problema, o peso da preparação seca na bucha foi determinado e normalizado para a preparação seca de referência.Controles abióticos consistindo de bucha, látex e meio nutriente estéril foram preparados de maneira semelhante.
Para realizar um teste de absorção de CO2 em meio lote, coloque o biocompósito (n = 3) em um tubo de vidro de 50 ml de modo que uma extremidade do biocompósito (sem o biorevestimento) fique em contato com 5 ml de meio de crescimento, permitindo que o nutriente seja absorvido. ser transportado por ação capilar..O frasco é lacrado com rolha de borracha butílica de 20 mm de diâmetro e cravado com tampa de alumínio prateado.Uma vez selado, injete 45 ml de CO2/ar a 5% com uma agulha estéril acoplada a uma seringa estanque a gases.A densidade celular da suspensão controle (n = 3) foi equivalente à carga celular do biocompósito no meio nutriente.Os testes foram realizados a 18 ± 2 °C com fotoperíodo de 16:8 e fotoperíodo de 30,5 µmol m-2 s-1.O head space foi removido a cada dois dias com seringa estanque a gases e analisado com medidor de CO2 com absorção infravermelha GEOTech G100 para determinar a porcentagem de CO2 absorvido.Adicione um volume igual de mistura de gás CO2.
% CO2 Fix é calculado da seguinte forma: % CO2 Fix = 5% (v/v) – escreva %CO2 (equação 2) onde P = pressão, V = volume, T = temperatura e R = constante de gás ideal.
As taxas de absorção de CO2 relatadas para suspensões de controle de cianobactérias e biocompósitos foram normalizadas para controles não biológicos.A unidade funcional de g biomassa é a quantidade de biomassa seca imobilizada na toalha.É determinado pesando amostras de bucha antes e depois da fixação das células.Contabilização da massa de carga celular (equivalente de biomassa) pesando individualmente as preparações antes e depois da secagem e calculando a densidade da preparação celular (equação 3).As preparações celulares são consideradas homogêneas durante a fixação.
Minitab 18 e Microsoft Excel com o complemento RealStatistics foram utilizados para análise estatística.A normalidade foi testada pelo teste de Anderson-Darling e a igualdade de variâncias foi testada pelo teste de Levene.Os dados que satisfazem essas suposições foram analisados usando análise de variância bidirecional (ANOVA) com teste de Tukey como análise post hoc.Os dados bidirecionais que não atenderam aos pressupostos de normalidade e igualdade de variância foram analisados utilizando o teste de Shirer-Ray-Hara e depois o teste U de Mann-Whitney para determinar a significância entre os tratamentos.Modelos lineares generalizados mistos (GLM) foram utilizados para dados não normais com três fatores, onde os dados foram transformados utilizando a transformada de Johnson63.Correlações de momento dos produtos Pearson foram realizadas para avaliar a relação entre concentração de Texanol, temperatura de transição vítrea e toxicidade do látex e dados de adesão.
Horário da postagem: 05 de janeiro de 2023