जैविक कार्बन सिक्वेस्ट्रेशन सुधारण्यासाठी सक्रिय प्रकाशसंश्लेषक बायोकंपोझिट विकसित केले गेले आहेत.

Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद.तुम्ही मर्यादित CSS समर्थनासह ब्राउझर आवृत्ती वापरत आहात.सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड अक्षम करा).याव्यतिरिक्त, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही शैली आणि JavaScript शिवाय साइट दर्शवतो.
एकाच वेळी तीन स्लाइड्सचे कॅरोसेल प्रदर्शित करते.एका वेळी तीन स्लाइड्समधून जाण्यासाठी मागील आणि पुढील बटणे वापरा किंवा एका वेळी तीन स्लाइड्समधून जाण्यासाठी शेवटी स्लाइडर बटणे वापरा.
पॅरिस कराराची उद्दिष्टे साध्य करण्यासाठी कार्बन कॅप्चर आणि स्टोरेज आवश्यक आहे.प्रकाशसंश्लेषण हे कार्बन कॅप्चर करण्यासाठी निसर्गाचे तंत्रज्ञान आहे.लायकेन्सपासून प्रेरणा घेऊन, आम्ही लूफाह स्पंजला लागू केलेल्या ऍक्रेलिक लेटेक्स पॉलिमरचा वापर करून 3D सायनोबॅक्टेरिया प्रकाशसंश्लेषक बायोकॉम्पोझिट (म्हणजे लायकेनची नक्कल करणे) विकसित केले.बायोकंपोझिटद्वारे CO2 शोषण्याचा दर बायोमास d-1 च्या 1.57 ± 0.08 g CO2 g-1 होता.ग्रहण दर हा प्रयोगाच्या सुरुवातीला कोरड्या बायोमासवर आधारित असतो आणि त्यात नवीन बायोमास वाढवण्यासाठी वापरण्यात येणारे CO2 तसेच कार्बोहायड्रेट्ससारख्या स्टोरेज कंपाऊंडमध्ये असलेल्या CO2 चा समावेश होतो.हे अपटेक दर स्लरी नियंत्रण उपायांपेक्षा 14-20 पट जास्त होते आणि 8-12 GtCO2 काढून टाकून 5.5-8.17 × 106 हेक्टर जमीन वापराच्या समतुल्य, प्रति वर्ष 570 t CO2 t-1 बायोमास कॅप्चर करण्यासाठी संभाव्यतः वाढविले जाऊ शकते. CO2 प्रति वर्ष.याउलट, कार्बन कॅप्चर आणि स्टोरेजसह वन जैव ऊर्जा 0.4–1.2 × 109 हेक्टर आहे.बायोकंपोझिट 12 आठवडे अतिरिक्त पोषक किंवा पाण्याशिवाय कार्यरत राहिले, त्यानंतर प्रयोग बंद करण्यात आला.हवामान बदलाचा मुकाबला करण्यासाठी मानवतेच्या बहुआयामी तांत्रिक भूमिकेत, इंजिनियर आणि ऑप्टिमाइझ केलेल्या सायनोबॅक्टेरियल बायोकॉम्पोझिट्समध्ये पाणी, पोषक आणि जमिनीच्या वापराचे नुकसान कमी करताना CO2 काढण्याची क्षमता वाढवण्यासाठी टिकाऊ आणि स्केलेबल उपयोजन करण्याची क्षमता आहे.
जागतिक जैवविविधता, पर्यावरणातील स्थिरता आणि लोकांसाठी हवामान बदल हा खरा धोका आहे.त्याचे सर्वात वाईट परिणाम कमी करण्यासाठी, समन्वित आणि मोठ्या प्रमाणात डीकार्ब्युरायझेशन कार्यक्रम आवश्यक आहेत आणि अर्थातच, वातावरणातून ग्रीनहाऊस वायू थेट काढून टाकण्याचे काही प्रकार आवश्यक आहेत.वीज निर्मितीचे सकारात्मक डीकार्बोनायझेशन 2,3 असूनही, वातावरणातील कार्बन डायऑक्साइड (CO2)4 कमी करण्यासाठी सध्या कोणतेही आर्थिकदृष्ट्या टिकाऊ तांत्रिक उपाय नाहीत, जरी फ्ल्यू गॅस कॅप्चर प्रगती करत आहे5.स्केलेबल आणि व्यावहारिक अभियांत्रिकी उपायांऐवजी, लोकांनी कार्बन कॅप्चर - प्रकाशसंश्लेषक जीव (फोटोट्रॉफिक जीव) साठी नैसर्गिक अभियंत्यांकडे वळले पाहिजे.प्रकाशसंश्लेषण हे निसर्गाचे कार्बन सिक्वेस्ट्रेशन तंत्रज्ञान आहे, परंतु अर्थपूर्ण वेळेच्या स्केलवर मानववंशजन्य कार्बन संवर्धन उलट करण्याची त्याची क्षमता संशयास्पद आहे, एन्झाईम्स अकार्यक्षम आहेत आणि योग्य स्केलवर तैनात करण्याची त्याची क्षमता संशयास्पद आहे.फोटोट्रॉफीसाठी संभाव्य मार्ग म्हणजे वनीकरण, जे कार्बन कॅप्चर अँड स्टोरेज (BECCS) सह जैव ऊर्जा साठी झाडे एक नकारात्मक-उत्सर्जन तंत्रज्ञान म्हणून कापते जे निव्वळ CO21 उत्सर्जन कमी करण्यास मदत करू शकते.तथापि, मुख्य पद्धत म्हणून BECCS वापरून पॅरिस कराराचे तापमान 1.5°C चे लक्ष्य साध्य करण्यासाठी 0.4 ते 1.2 × 109 हेक्टर आवश्यक आहे, जे सध्याच्या जागतिक शेतीयोग्य जमिनीच्या 25-75% च्या समतुल्य आहे.याशिवाय, CO2 फर्टिलायझेशनच्या जागतिक परिणामांशी संबंधित अनिश्चितता वन लागवडीच्या संभाव्य एकूण कार्यक्षमतेवर प्रश्नचिन्ह निर्माण करते7.पॅरिस कराराद्वारे निर्धारित तापमान लक्ष्य गाठायचे असल्यास, प्रत्येक वर्षी वातावरणातून 100 सेकंद GtCO2 हरितगृह वायू (GGR) काढून टाकणे आवश्यक आहे.यूके संशोधन आणि नवोपक्रम विभागाने अलीकडेच पीटलँड व्यवस्थापन, वर्धित रॉक वेदरिंग, वृक्ष लागवड, बायोचार आणि बारमाही पिके यासह पाच GGR8 प्रकल्पांसाठी निधी देण्याची घोषणा केली आहे.दरवर्षी वातावरणातून 130 MtCO2 पेक्षा जास्त काढण्याचा खर्च 10-100 US$/tCO2, 0.2-8.1 MtCO2 प्रति वर्ष पीटलँड पुनर्संचयित करण्यासाठी, 52-480 US$/tCO2 आणि खडकांच्या हवामानासाठी प्रति वर्ष 12-27 MtCO2 आहे. , 0.4-30 USD/वर्ष.tCO2, 3.6 MtCO2/वर्ष, वनक्षेत्रात 1% वाढ, 0.4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/yr, बायोचार, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 कायमस्वरूपी पिकांसाठी प्रतिवर्ष BECCS9.
या पध्दतींचे संयोजन संभाव्यपणे 130 Mt CO2 प्रति वर्ष लक्ष्य गाठू शकते, परंतु रॉक वेदरिंग आणि BECCS चा खर्च जास्त आहे आणि बायोचार, जरी तुलनेने स्वस्त आणि जमीन-वापराशी संबंधित नसले तरी बायोचार उत्पादन प्रक्रियेसाठी फीडस्टॉक आवश्यक आहे.इतर GGR तंत्रज्ञान तैनात करण्यासाठी हा विकास आणि संख्या ऑफर करते.
जमिनीवर उपाय शोधण्याऐवजी, पाणी शोधा, विशेषत: सूक्ष्म शैवाल आणि सायनोबॅक्टेरिया 10 सारख्या एकल-पेशीयुक्त फोटोट्रॉफ.एकपेशीय वनस्पती (सायनोबॅक्टेरियासह) जगातील सुमारे 50% कार्बन डाय ऑक्साईड हस्तगत करतात, जरी ते जगातील केवळ 1% बायोमास 11 आहेत.सायनोबॅक्टेरिया हे निसर्गाचे मूळ जैव अभियंते आहेत, जे ऑक्सिजेनिक प्रकाशसंश्लेषणाद्वारे श्वसन चयापचय आणि बहुपेशीय जीवनाच्या उत्क्रांतीचा पाया घालतात.कार्बन कॅप्चर करण्यासाठी सायनोबॅक्टेरिया वापरण्याची कल्पना नवीन नाही, परंतु भौतिक प्लेसमेंटच्या नाविन्यपूर्ण पद्धती या प्राचीन जीवांसाठी नवीन क्षितिजे उघडतात.
औद्योगिक उद्देशांसाठी सूक्ष्म शैवाल आणि सायनोबॅक्टेरिया वापरताना उघडे तलाव आणि फोटोबायोरिएक्टर हे डिफॉल्ट मालमत्ता आहेत.या संस्कृती प्रणाली निलंबन संस्कृती वापरतात ज्यामध्ये पेशी वाढीच्या माध्यमात मुक्तपणे तरंगतात14;तथापि, तलाव आणि फोटोबायोरॅक्टर्सचे अनेक तोटे आहेत जसे की खराब CO2 मास ट्रान्सफर, जमीन आणि पाण्याचा सखोल वापर, बायोफौलिंगची संवेदनशीलता आणि उच्च बांधकाम आणि ऑपरेशन खर्च15,16.बायोफिल्म बायोरिएक्टर्स जे सस्पेंशन कल्चर वापरत नाहीत ते पाणी आणि जागेच्या दृष्टीने अधिक किफायतशीर असतात, परंतु त्यांना डेसिकेशन हानी होण्याचा धोका असतो, बायोफिल्म डिटेचमेंट (आणि म्हणून सक्रिय बायोमासचे नुकसान) होण्याची शक्यता असते आणि ते बायोफौलिंग 17 ला तितकेच प्रवण असतात.
CO2 शोषणाचा दर वाढवण्यासाठी आणि स्लरी आणि बायोफिल्म अणुभट्ट्या मर्यादित करणाऱ्या समस्यांचे निराकरण करण्यासाठी नवीन पध्दती आवश्यक आहेत.असाच एक दृष्टीकोन म्हणजे प्रकाशसंश्लेषक बायोकंपोजिट्स लायकेन्सद्वारे प्रेरित.लायकेन्स हे बुरशी आणि फोटोबायोन्ट्स (सूक्ष्म शैवाल आणि/किंवा सायनोबॅक्टेरिया) चे एक संकुल आहे जे पृथ्वीच्या भूभागाच्या अंदाजे 12% भाग व्यापतात18.बुरशी फोटोबायोटिक सब्सट्रेटचे भौतिक समर्थन, संरक्षण आणि अँकरिंग प्रदान करते, ज्यामुळे बुरशीला कार्बन (अतिरिक्त प्रकाशसंश्लेषण उत्पादने म्हणून) मिळते.प्रस्तावित बायोकॉम्पोझिट एक "लाइकेन मिमेटिक" आहे, ज्यामध्ये सायनोबॅक्टेरियाची एक केंद्रित लोकसंख्या वाहक सब्सट्रेटवर पातळ बायोकोटिंगच्या स्वरूपात स्थिर केली जाते.पेशींव्यतिरिक्त, बायोकोटिंगमध्ये पॉलिमर मॅट्रिक्स असते जे बुरशीची जागा घेऊ शकते.पाणी-आधारित पॉलिमर इमल्शन किंवा "लेटेक्स" ला प्राधान्य दिले जाते कारण ते बायोकॉम्पॅटिबल, टिकाऊ, स्वस्त, हाताळण्यास सोपे आणि व्यावसायिकरित्या उपलब्ध आहेत19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
लेटेक्स पॉलिमरसह पेशींचे निर्धारण लेटेक्सच्या रचनेवर आणि चित्रपट निर्मितीच्या प्रक्रियेवर खूप प्रभाव पाडते.इमल्शन पॉलिमरायझेशन ही एक विषम प्रक्रिया आहे जी सिंथेटिक रबर, चिकट कोटिंग्ज, सीलंट, काँक्रीट ऍडिटीव्ह, कागद आणि कापड कोटिंग्ज आणि लेटेक्स पेंट्स तयार करण्यासाठी वापरली जाते.इतर पॉलिमरायझेशन पद्धतींपेक्षा त्याचे अनेक फायदे आहेत, जसे की उच्च प्रतिक्रिया दर आणि मोनोमर रूपांतरण कार्यक्षमता, तसेच उत्पादन नियंत्रणात सुलभता 27,28.मोनोमर्सची निवड परिणामी पॉलिमर फिल्मच्या इच्छित गुणधर्मांवर अवलंबून असते आणि मिश्रित मोनोमर सिस्टम्ससाठी (म्हणजे, कॉपॉलिमरायझेशन), पॉलिमरचे गुणधर्म बदलता येतात मोनोमर्सचे विविध गुणोत्तर निवडून ज्यामुळे पॉलिमर सामग्री तयार होते.बुटाइल ऍक्रिलेट आणि स्टायरीन हे सर्वात सामान्य ऍक्रेलिक लेटेक्स मोनोमर आहेत आणि ते येथे वापरले जातात.याव्यतिरिक्त, कोलेसिंग एजंट्स (उदा. टेक्सॅनॉल) एकसमान फिल्म निर्मितीला प्रोत्साहन देण्यासाठी वापरले जातात जेथे ते मजबूत आणि "सतत" (कोलेसिंग) कोटिंग तयार करण्यासाठी पॉलिमर लेटेक्सचे गुणधर्म बदलू शकतात.आमच्या सुरुवातीच्या संकल्पनेच्या पुराव्याच्या अभ्यासात, उच्च पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ, उच्च सच्छिद्रता 3D बायोकंपोझिट लूफह स्पंजला लागू केलेल्या व्यावसायिक लेटेक्स पेंटचा वापर करून तयार केले गेले.दीर्घ आणि सतत हाताळणीनंतर (आठ आठवडे), बायोकॉम्पोझिटने लूफाह स्कॅफोल्डवर सायनोबॅक्टेरिया टिकवून ठेवण्याची मर्यादित क्षमता दर्शविली कारण पेशींच्या वाढीमुळे लेटेकची संरचनात्मक अखंडता कमकुवत झाली.सध्याच्या अभ्यासात, आम्ही पॉलिमर डिग्रेडेशनचा त्याग न करता कार्बन कॅप्चर ऍप्लिकेशन्समध्ये सतत वापरण्यासाठी ज्ञात रसायनशास्त्रातील ऍक्रेलिक लेटेक्स पॉलिमरची मालिका विकसित करण्याचे उद्दिष्ट ठेवले आहे.असे केल्याने, आम्ही लाइकेन-सदृश पॉलिमर मॅट्रिक्स घटक तयार करण्याची क्षमता प्रदर्शित केली आहे जी सुधारित जैविक कार्यप्रदर्शन प्रदान करते आणि सिद्ध बायोकंपोझिटच्या तुलनेत लक्षणीय यांत्रिक लवचिकता वाढवते.पुढील ऑप्टिमायझेशन कार्बन कॅप्चरसाठी बायोकॉम्पोझिट्सच्या शोषणाला गती देईल, विशेषत: जेव्हा सायनोबॅक्टेरिया चयापचयाशी चयापचय रीतीने सीओ 2 सीक्वेस्टेशन वाढविण्यासाठी सुधारित केले जाते.
तीन पॉलिमर फॉर्म्युलेशनसह नऊ लेटेक्स (H = “हार्ड”, N = “सामान्य”, S = “सॉफ्ट”) आणि तीन प्रकारचे टेक्सॅनॉल (0, 4, 12% v/v) विषारीपणा आणि ताण सहसंबंधांसाठी तपासले गेले.चिकट.दोन सायनोबॅक्टेरिया पासून.लेटेक्स प्रकाराने S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare test, latex: DF=2, H=23.157, P=<0.001) आणि CCAP 1479/1A (टू-वे ANOVA, लेटेक्स: DF=2, F) वर लक्षणीय प्रभाव पाडला. = 103.93, P = < 0.001) (चित्र 1a).टेक्सॅनॉलच्या एकाग्रतेचा S. elongatus PCC 7942 च्या वाढीवर लक्षणीय परिणाम झाला नाही, फक्त N-latex गैर-विषारी होते (Fig. 1a), आणि 0 N आणि 4 N ने अनुक्रमे 26% आणि 35% वाढ राखली (मान- व्हिटनी U, 0 N विरुद्ध 4 N: W = 13.50, P = 0.245; 0 N विरुद्ध नियंत्रण: W = 25.0, P = 0.061; 4 N विरुद्ध नियंत्रण: W = 25.0, P = 0.061) आणि 12 N विरुद्ध तुलनात्मक वाढ राखली जैविक नियंत्रणाकडे (मान-व्हिटनी विद्यापीठ, 12 एन वि. नियंत्रण: W = 17.0, P = 0.885).S. elongatus CCAP 1479/1A साठी, लेटेक्स मिश्रण आणि टेक्सॅनॉल एकाग्रता हे दोन्ही महत्त्वाचे घटक होते, आणि दोघांमध्ये महत्त्वपूर्ण परस्परसंवाद दिसून आला (द्वि-मार्ग ANOVA, लेटेक्स: 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 आणि सर्व "सॉफ्ट" लेटेक्सने वाढीस प्रोत्साहन दिले (चित्र 1a).स्टायरीनची रचना कमी करून वाढ सुधारण्याची प्रवृत्ती आहे.
सायनोबॅक्टेरियाची विषारीता आणि आसंजन चाचणी (Synechococcus elongatus PCC 7942 आणि CCAP 1479/1A) ते लेटेक्स फॉर्म्युलेशन, काचेच्या संक्रमण तापमानाशी संबंध (Tg) आणि विषारीपणा आणि आसंजन डेटावर आधारित निर्णय मॅट्रिक्स.(a) निलंबन संस्कृती नियंत्रित करण्यासाठी सामान्यीकृत सायनोबॅक्टेरियाच्या टक्केवारीच्या वाढीच्या स्वतंत्र प्लॉट्सचा वापर करून विषारीपणा चाचणी केली गेली.* ने चिन्हांकित केलेले उपचार नियंत्रणांपेक्षा लक्षणीय भिन्न आहेत.(b) Tg लेटेक्स विरुद्ध सायनोबॅक्टेरिया वाढ डेटा (म्हणजे ± SD; n = 3).(c) बायोकंपोझिट आसंजन चाचणीतून मुक्त झालेल्या सायनोबॅक्टेरियाची एकत्रित संख्या.(d) लेटेक्सचा Tg विरुद्ध आसंजन डेटा (म्हणजे ± StDev; n = 3).e विषारीपणा आणि आसंजन डेटावर आधारित निर्णय मॅट्रिक्स.स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेटचे गुणोत्तर “हार्ड” (H) लेटेक्ससाठी 1:3, “सामान्य” (N) साठी 1:1 आणि “सॉफ्ट” (S) साठी 3:1 आहे.लेटेक्स कोडमधील मागील संख्या टेक्सॅनॉलच्या सामग्रीशी संबंधित आहेत.
बहुतेक प्रकरणांमध्ये, टेक्सॅनॉल एकाग्रता वाढल्याने सेल व्यवहार्यता कमी झाली, परंतु कोणत्याही स्ट्रेनसाठी कोणताही महत्त्वपूर्ण संबंध नव्हता (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0.208, P = 0.299; PCC 7942: DF = 25, r = – ०.१२७, पी = ०.५२७).अंजीर वर.1b सेल वाढ आणि काचेचे संक्रमण तापमान (Tg) यांच्यातील संबंध दर्शविते.टेक्सॅनॉल एकाग्रता आणि टीजी मूल्यांमध्ये मजबूत नकारात्मक संबंध आहे (H-latex: DF=7, r=-0.989, P=<0.001; N-latex: DF=7, r=-0.964, P=<0.001 ; S- लेटेक्स: DF=7, r=-0.946, P=<0.001).डेटावरून असे दिसून आले की S. elongatus PCC 7942 च्या वाढीसाठी इष्टतम Tg सुमारे 17 °C (आकृती 1b) होता, तर S. elongatus CCAP 1479/1A ने Tg 0 °C (आकृती 1b) पेक्षा कमी करण्यास अनुकूल केले.फक्त S. elongatus CCAP 1479/1A मध्ये Tg आणि विषारीता डेटा (DF=25, r=-0.857, P=<0.001) यांच्यात मजबूत नकारात्मक सहसंबंध होता.
सर्व लेटेक्समध्ये चांगली चिकटपणाची आत्मीयता होती आणि त्यापैकी एकानेही 72 तासांनंतर 1% पेक्षा जास्त पेशी सोडल्या नाहीत (चित्र 1c).S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0.903; P=0.924; CCAP 1479/1A: Scheirer- किरण चाचणी).– हरे चाचणी, लेटेक्स*टेक्सॅनॉल, DF=4, H=3.277, P=0.513).जसजसे टेक्सॅनॉलचे प्रमाण वाढते तसतसे अधिक पेशी सोडल्या जातात (आकृती 1c).S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0.660, P=<0.001) (आकृती 1d) च्या तुलनेत.शिवाय, दोन स्ट्रेनच्या Tg आणि सेल आसंजन यांच्यात कोणताही सांख्यिकीय संबंध नव्हता (PCC 7942: DF=25, r=0.301, P=0.127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0.287, P=0.147).
दोन्ही स्ट्रेनसाठी, “हार्ड” लेटेक्स पॉलिमर कुचकामी होते.याउलट, 4N आणि 12N ने S. elongatus PCC 7942 विरुद्ध सर्वोत्तम कामगिरी केली, तर 4S आणि 12S ने CCAP 1479/1A (Fig. 1e) विरुद्ध सर्वोत्तम कामगिरी केली, जरी पॉलिमर मॅट्रिक्सच्या पुढील ऑप्टिमायझेशनसाठी स्पष्टपणे जागा आहे.हे पॉलिमर अर्ध-बॅच नेट CO2 अपटेक चाचण्यांमध्ये वापरले गेले आहेत.
जलीय लेटेक्स रचना मध्ये निलंबित पेशी वापरून 7 दिवस फोटोफिजियोलॉजीचे निरीक्षण केले गेले.सर्वसाधारणपणे, स्पष्ट प्रकाशसंश्लेषण दर (PS) आणि कमाल PSII क्वांटम उत्पन्न (Fv/Fm) दोन्ही वेळोवेळी कमी होतात, परंतु ही घट असमान आहे आणि काही PS डेटासेट द्विफासिक प्रतिसाद दर्शवतात, आंशिक प्रतिसाद सूचित करतात, जरी वास्तविक-वेळ पुनर्प्राप्ती लहान PS क्रियाकलाप (Fig. 2a आणि 3b).biphasic Fv/Fm प्रतिसाद कमी उच्चारला गेला (आकडे 2b आणि 3b).
(a) स्पष्ट प्रकाशसंश्लेषण दर (PS) आणि (b) नियंत्रण निलंबन संस्कृतींच्या तुलनेत लेटेक्स फॉर्म्युलेशनला प्रतिसाद म्हणून Synechococcus elongatus PCC 7942 चे कमाल PSII क्वांटम उत्पन्न (Fv/Fm).स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेटचे गुणोत्तर “हार्ड” (H) लेटेक्ससाठी 1:3, “सामान्य” (N) साठी 1:1 आणि “सॉफ्ट” (S) साठी 3:1 आहे.लेटेक्स कोडमधील मागील संख्या टेक्सॅनॉलच्या सामग्रीशी संबंधित आहेत.(म्हणजे ± मानक विचलन; n = 3).
(a) स्पष्ट प्रकाशसंश्लेषण दर (PS) आणि (b) नियंत्रण निलंबन संस्कृतींच्या तुलनेत लेटेक्स फॉर्म्युलेशनच्या प्रतिसादात Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A चे कमाल PSII क्वांटम उत्पन्न (Fv/Fm).स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेटचे गुणोत्तर “हार्ड” (H) लेटेक्ससाठी 1:3, “सामान्य” (N) साठी 1:1 आणि “सॉफ्ट” (S) साठी 3:1 आहे.लेटेक्स कोडमधील मागील संख्या टेक्सॅनॉलच्या सामग्रीशी संबंधित आहेत.(म्हणजे ± मानक विचलन; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 साठी, लेटेक्स रचना आणि टेक्सॅनॉल एकाग्रतेचा कालांतराने PS वर परिणाम झाला नाही (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1.49, P = 0.07), जरी रचना हा एक महत्त्वाचा घटक होता (GLM)., लेटेक्स*टाइम, DF = 14, F = 3.14, P = <0.001) (चित्र 2a).कालांतराने टेक्सॅनॉल एकाग्रतेचा कोणताही महत्त्वपूर्ण परिणाम झाला नाही (GLM, Texanol*time, DF=14, F=1.63, P=0.078).Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4.54, P=<0.001) प्रभावित करणारा महत्त्वपूर्ण संवाद होता.लेटेक्स फॉर्म्युलेशन आणि टेक्सॅनॉल एकाग्रता यांच्यातील परस्परसंवादाचा Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180.42, P=<0.001) वर लक्षणीय परिणाम झाला.प्रत्येक पॅरामीटर वेळेनुसार Fv/Fm ला देखील प्रभावित करते (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9.91, P=<0.001 आणि Texanol*Time, DF=14, F=10.71, P=< 0.001).लेटेक्स 12H ने सर्वात कमी सरासरी PS आणि Fv/Fm मूल्ये (Fig. 2b) राखली, हे दर्शविते की हे पॉलिमर अधिक विषारी आहे.
S. elongatus CCAP 1479/1A चे PS लक्षणीय भिन्न होते (GLM, लेटेक्स * टेक्सानॉल * वेळ, DF = 28, F = 2.75, P = <0.001), टेक्सॅनॉल एकाग्रतेपेक्षा लेटेक्स रचना (GLM, लेटेक्स*टाइम, DF) =14, F=6.38, P=<0.001, GLM, Texanol*time, DF=14, F=1.26, P=0.239)."सॉफ्ट" पॉलिमर 0S आणि 4S ने कंट्रोल सस्पेंशनपेक्षा PS कामगिरीची किंचित उच्च पातळी राखली (मान-व्हिटनी U, 0S विरुद्ध नियंत्रण, W = 686.0, P = 0.044, 4S विरुद्ध नियंत्रण, W = 713, P = 0.01) आणि राखले सुधारित Fv./Fm (Fig. 3a) फोटोसिस्टम II ला अधिक कार्यक्षम वाहतूक दाखवते.CCAP 1479/1A पेशींच्या Fv/Fm मूल्यांसाठी, कालांतराने लक्षणीय लेटेक्स फरक होता (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6.00, P=<0.001) (आकृती 3b).).
अंजीर वर.4 प्रत्येक स्ट्रेनसाठी सेल वाढीचे कार्य म्हणून 7 दिवसांच्या कालावधीत सरासरी PS आणि Fv/Fm दर्शविते.S. elongatus PCC 7942 मध्ये स्पष्ट पॅटर्न नव्हता (Fig. 4a आणि b), तथापि, CCAP 1479/1A ने PS (Fig. 4c) आणि Fv/Fm (Fig. 4d) मूल्यांमधील पॅराबॉलिक संबंध दर्शविला. स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेटचे गुणोत्तर बदलासह वाढतात.
लेटेक्सच्या तयारीवर सिनेकोकोकस लाँगमच्या वाढ आणि फोटोफिजियोलॉजीमधील संबंध.(a) स्पष्ट प्रकाशसंश्लेषण दर (PS), (b) PCC 7942 चे कमाल PSII क्वांटम उत्पन्न (Fv/Fm) विरुद्ध प्लॉट केलेला विषारीपणा डेटा. c PS आणि d Fv/Fm CCAP 1479/1A विरुद्ध प्लॉट केलेला टॉक्सिसिटी डेटा.स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेटचे गुणोत्तर “हार्ड” (H) लेटेक्ससाठी 1:3, “सामान्य” (N) साठी 1:1 आणि “सॉफ्ट” (S) साठी 3:1 आहे.लेटेक्स कोडमधील मागील संख्या टेक्सॅनॉलच्या सामग्रीशी संबंधित आहेत.(म्हणजे ± मानक विचलन; n = 3).
बायोकॉम्पोझिट PCC 7942 चा पहिल्या चार आठवड्यांमध्ये (आकृती 5) लक्षणीय सेल लीचिंगसह सेल धारणावर मर्यादित प्रभाव पडला.CO2 घेण्याच्या सुरुवातीच्या टप्प्यानंतर, 12 N लेटेक्ससह निश्चित केलेल्या पेशी CO2 सोडू लागल्या आणि हा नमुना 4 ते 14 दिवस (चित्र 5b) दरम्यान कायम राहिला.हे डेटा रंगद्रव्याच्या विकृतीच्या निरीक्षणाशी सुसंगत आहेत.18 व्या दिवसापासून नेट CO2 अपटेक पुन्हा सुरू झाला. सेल रिलीझ (Fig. 5a) असूनही, PCC 7942 12 N बायोकॉम्पोझिटने 28 दिवसांत नियंत्रण निलंबनापेक्षा अधिक CO2 जमा केले, थोडे जरी असले तरी (मान-व्हिटनी यू-टेस्ट, W = 2275.5; पी = 0.066).लेटेक्स 12 N आणि 4 N द्वारे CO2 च्या शोषणाचा दर 0.51 ± 0.34 आणि 1.18 ± 0.29 g CO2 g-1 बायोमास d-1 आहे.उपचार आणि वेळेच्या पातळीमध्ये सांख्यिकीयदृष्ट्या लक्षणीय फरक होता (चेअरर-रे-हरे चाचणी, उपचार: DF=2, H=70.62, P=<0.001 वेळ: DF=13, H=23.63, P=0.034), पण ते नव्हते.उपचार आणि वेळ यांच्यात महत्त्वपूर्ण संबंध होता (चेअरर-रे-हर चाचणी, वेळ*उपचार: DF=26, H=8.70, P=0.999).
4N आणि 12N लेटेक्स वापरून Synechococcus elongatus PCC 7942 बायोकॉम्पोझिटवर अर्ध-बॅच CO2 अपटेक चाचण्या.(a) प्रतिमा सेल रीलिझ आणि रंगद्रव्य विकृती दर्शवतात, तसेच बायोकॉम्पोझिटच्या SEM प्रतिमा चाचणीपूर्वी आणि नंतर दर्शवतात.पांढऱ्या ठिपके असलेल्या रेषा बायोकंपोझिटवरील पेशी जमा होण्याची ठिकाणे दर्शवतात.(b) चार आठवड्यांच्या कालावधीत एकत्रित निव्वळ CO2 अपटेक."सामान्य" (N) लेटेक्समध्ये स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेटचे गुणोत्तर 1:1 असते.लेटेक्स कोडमधील मागील संख्या टेक्सॅनॉलच्या सामग्रीशी संबंधित आहेत.(म्हणजे ± मानक विचलन; n = 3).
4S आणि 12S सह स्ट्रेन CCAP 1479/1A साठी सेल धारणा लक्षणीयरीत्या सुधारली गेली, जरी रंगद्रव्याने कालांतराने हळूहळू रंग बदलला (Fig. 6a).बायोकॉम्पोझिट CCAP 1479/1A अतिरिक्त पौष्टिक पूरक आहारांशिवाय पूर्ण 84 दिवस (12 आठवडे) CO2 शोषून घेते.SEM विश्लेषण (Fig. 6a) ने लहान पेशींच्या अलिप्ततेच्या दृश्य निरीक्षणाची पुष्टी केली.सुरुवातीला, पेशी एका लेटेक लेपमध्ये बंद केल्या होत्या ज्याने पेशींची वाढ असूनही त्यांची अखंडता राखली होती.CO2 ग्रहण दर नियंत्रण गटापेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त होता (Scheirer-Ray-Har test, उपचार: DF=2; H=240.59; P=<0.001, वेळ: DF=42; H=112; P=<0.001) ( अंजीर 6b).12S बायोकॉम्पोझिटने सर्वाधिक CO2 अपटेक (1.57 ± 0.08 g CO2 g-1 बायोमास प्रतिदिन) प्राप्त केले, तर 4S लेटेक्स 1.13 ± 0.41 g CO2 g-1 बायोमास प्रतिदिन होता, परंतु त्यांच्यात लक्षणीय फरक नव्हता (मान-व्हिटनी यू . चाचणी, W = 1507.50; P = 0.07) आणि उपचार आणि वेळ यांच्यात कोणताही महत्त्वपूर्ण परस्परसंवाद नाही (Shirer-Rey-Hara चाचणी, वेळ * उपचार: DF = 82; H = 10 .37; P = 1.000).
4N आणि 12N लेटेक्ससह Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A बायोकॉम्पोझिट वापरून अर्धा लॉट CO2 अपटेक चाचणी.(a) प्रतिमा सेल रीलिझ आणि रंगद्रव्य विकृती दर्शवतात, तसेच बायोकॉम्पोझिटच्या SEM प्रतिमा चाचणीपूर्वी आणि नंतर दर्शवतात.पांढऱ्या ठिपके असलेल्या रेषा बायोकंपोझिटवरील पेशी जमा होण्याची ठिकाणे दर्शवतात.(b) बारा आठवड्यांच्या कालावधीत एकत्रित निव्वळ CO2 अपटेक.“सॉफ्ट” (एस) लेटेक्समध्ये स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेटचे गुणोत्तर 1:1 असते.लेटेक्स कोडमधील मागील संख्या टेक्सॅनॉलच्या सामग्रीशी संबंधित आहेत.(म्हणजे ± मानक विचलन; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har test, time*उपचार: DF=4, H=3.243, P=0.518) किंवा बायोकॉम्पोझिट S. elongatus CCAP 1479/1A (टू-ANOVA, वेळ*उपचार: DF=8 , F = 1.79, P = 0.119) (Fig. S4).Biocomposite PCC 7942 मध्ये 2 व्या आठवड्यात कार्बोहायड्रेटचे प्रमाण सर्वाधिक होते (4 N = 59.4 ± 22.5 wt%, 12 N = 67.9 ± 3.3 wt%), तर नियंत्रण निलंबनात 4 व्या आठवड्यात कार्बोहायड्रेटचे प्रमाण सर्वाधिक होते (नियंत्रण = 59.6 ± 2.84%) w/w).CCAP 1479/1A बायोकॉम्पोझिटची एकूण कार्बोहायड्रेट सामग्री चाचणीच्या प्रारंभी वगळता नियंत्रण निलंबनाशी तुलना करता येण्याजोगी होती, 4 व्या आठवड्यात 12S लेटेक्समध्ये काही बदल होते. बायोकॉम्पोझिटची सर्वोच्च मूल्ये 51.9 ± 9.6 wt% होती 4S साठी आणि 12S साठी 77.1 ± 17.0 wt%.
बायोकॉम्पॅटिबिलिटी किंवा कार्यक्षमतेचा त्याग न करता लाइकेन मिमिक बायोकंपोझिट संकल्पनेचा एक महत्त्वाचा घटक म्हणून पातळ फिल्म लेटेक्स पॉलिमर कोटिंग्जची संरचनात्मक अखंडता वाढवण्यासाठी आम्ही डिझाइन शक्यता प्रदर्शित करण्यासाठी तयार झालो आहोत.खरंच, जर पेशींच्या वाढीशी संबंधित संरचनात्मक आव्हानांवर मात केली गेली, तर आम्ही आमच्या प्रायोगिक बायोकॉम्पोझिट्सच्या तुलनेत लक्षणीय कामगिरी सुधारणांची अपेक्षा करतो, जी आधीच इतर सायनोबॅक्टेरिया आणि मायक्रोएल्गी कार्बन कॅप्चर सिस्टमशी तुलना करता येते.
कोटिंग्स गैर-विषारी, टिकाऊ, दीर्घकालीन सेल चिकटून राहण्यास समर्थन देणारी आणि कार्यक्षम CO2 मास ट्रान्सफर आणि O2 डिगॅसिंगला प्रोत्साहन देण्यासाठी छिद्रयुक्त असणे आवश्यक आहे.लेटेक्स-प्रकारचे ऍक्रेलिक पॉलिमर तयार करणे सोपे आहे आणि ते पेंट, कापड आणि चिकट उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात30.आम्ही सायनोबॅक्टेरियाला पाणी-आधारित अॅक्रेलिक लेटेक्स पॉलिमर इमल्शन पॉलिमराइज्ड स्टायरीन/ब्युटाइल अॅक्रिलेट कण आणि टेक्सॅनॉलच्या विविध सांद्रतेसह एकत्र केले.स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेट भौतिक गुणधर्मांवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी निवडले गेले, विशेषत: कोटिंगची लवचिकता आणि एकत्रीकरण कार्यक्षमता (मजबूत आणि अत्यंत चिकट कोटिंगसाठी गंभीर), "हार्ड" आणि "सॉफ्ट" कणांच्या एकत्रित संश्लेषणास अनुमती देते.विषाक्तता डेटा सूचित करतो की उच्च स्टायरीन सामग्रीसह "हार्ड" लेटेक्स सायनोबॅक्टेरियाच्या अस्तित्वासाठी अनुकूल नाही.ब्युटाइल ऍक्रिलेटच्या विपरीत, स्टायरीन शैवाल 32,33 साठी विषारी मानले जाते.सायनोबॅक्टेरिया स्ट्रेनने लेटेकवर अगदी वेगळ्या पद्धतीने प्रतिक्रिया दिली आणि S. elongatus PCC 7942 साठी इष्टतम काचेचे संक्रमण तापमान (Tg) निर्धारित केले गेले, तर S. elongatus CCAP 1479/1A ने Tg शी नकारात्मक रेखीय संबंध दर्शविला.
कोरडे तापमान सतत एकसमान लेटेक्स फिल्म तयार करण्याच्या क्षमतेवर परिणाम करते.जर कोरडे तापमान किमान फिल्म फॉर्मिंग टेम्परेचर (MFFT) पेक्षा कमी असेल, तर पॉलिमर लेटेक्स कण पूर्णपणे एकत्र होणार नाहीत, परिणामी कण इंटरफेसवरच चिकटून राहतील.परिणामी चित्रपटांमध्ये खराब आसंजन आणि यांत्रिक शक्ती असते आणि ते पावडरच्या स्वरूपात देखील असू शकतात.MFFT Tg शी जवळचा संबंध आहे, जो मोनोमर रचना आणि टेक्सॅनॉल सारख्या कोलेसेंट्सच्या जोडणीद्वारे नियंत्रित केला जाऊ शकतो.Tg परिणामी कोटिंगचे अनेक भौतिक गुणधर्म निर्धारित करते, जे कदाचित रबरी किंवा काचेच्या स्थितीत असू शकते34.फ्लोरी-फॉक्स समीकरण 35 नुसार, टीजी मोनोमरच्या प्रकारावर आणि संबंधित टक्केवारीच्या रचनेवर अवलंबून असते.कोलेसेंट जोडल्याने लेटेक्स कणांच्या टीजीचे अधूनमधून दमन करून MFFT कमी होऊ शकते, ज्यामुळे कमी तापमानात फिल्म तयार होते, परंतु तरीही एक कठोर आणि मजबूत कोटिंग तयार होते कारण कोलेसेंट कालांतराने हळूहळू बाष्पीभवन होते किंवा काढले जाते 36.
टेक्सॅनॉलची एकाग्रता वाढल्याने पॉलिमर कणांना मऊ करून (टीजी कमी करून) वाळवताना कणांद्वारे शोषून घेतल्याने फिल्म निर्मितीला प्रोत्साहन मिळते, ज्यामुळे एकसंध फिल्म आणि सेल चिकटण्याची ताकद वाढते.बायोकंपोझिट सभोवतालच्या तपमानावर (~18-20°C) सुकल्यामुळे, “हार्ड” लेटेक्सचा Tg (30 ते 55°C) सुकवण्याच्या तापमानापेक्षा जास्त असतो, याचा अर्थ कणांचे एकत्रीकरण इष्टतम असू शकत नाही, परिणामी बी फिल्म्स जे काचेचे राहतात, खराब यांत्रिक आणि चिकट गुणधर्म, मर्यादित लवचिकता आणि डिफ्युसिव्हिटी30 शेवटी जास्त पेशींचे नुकसान करतात."सामान्य" आणि "सॉफ्ट" पॉलिमरपासून फिल्म निर्मिती पॉलिमर फिल्मच्या Tg वर किंवा खाली होते आणि फिल्म निर्मिती सुधारित एकत्रीकरणाद्वारे सुधारली जाते, परिणामी सुधारित यांत्रिक, एकसंध आणि चिकट गुणधर्मांसह सतत पॉलिमर फिल्म्स तयार होतात.परिणामी फिल्म CO2 कॅप्चर प्रयोगांदरम्यान रबरी राहील कारण त्याचे Tg ("सामान्य" मिश्रण: 12 ते 20 ºC) किंवा खूपच कमी ("सॉफ्ट" मिश्रण: -21 ते -13 °C) ते सभोवतालचे तापमान 30 .“हार्ड” लेटेक्स (3.4 ते 2.9 kgf mm–1) “सामान्य” लेटेक्स (1.0 ते 0.9 kgf mm–1) पेक्षा तिप्पट कठीण आहे."सॉफ्ट" लेटेक्सची कडकपणा त्यांच्या खोलीच्या तापमानात जास्त रबरपणा आणि चिकटपणामुळे मायक्रोहार्डनेसद्वारे मोजली जाऊ शकत नाही.पृष्ठभाग चार्ज देखील आसंजन आत्मीयता प्रभावित करू शकतो, परंतु अर्थपूर्ण माहिती प्रदान करण्यासाठी अधिक डेटा आवश्यक आहे.तथापि, सर्व लेटेक्स प्रभावीपणे पेशी टिकवून ठेवतात, 1% पेक्षा कमी सोडतात.
प्रकाशसंश्लेषणाची उत्पादकता कालांतराने कमी होते.पॉलीस्टीरिनच्या संपर्कात आल्याने झिल्लीचा व्यत्यय आणि ऑक्सिडेटिव्ह ताण ३८,३९,४०,४१ होतो.S. elongatus CCAP 1479/1A ची Fv/Fm मूल्ये 0S आणि 4S च्या संपर्कात आलेली होती ती सस्पेंशन कंट्रोलच्या तुलनेत जवळजवळ दुप्पट जास्त होती, जी 4S बायोकॉम्पोझिटच्या CO2 अपटेक रेटशी चांगल्या प्रकारे सहमत आहे. कमी सरासरी PS मूल्ये.मूल्येउच्च Fv/Fm मूल्ये दर्शवितात की PSII ला इलेक्ट्रॉन वाहतूक अधिक फोटॉन्स42 वितरित करू शकते, ज्यामुळे उच्च CO2 निर्धारण दर होऊ शकतात.तथापि, हे लक्षात घेतले पाहिजे की फोटोफिजियोलॉजिकल डेटा जलीय लेटेक्स सोल्युशनमध्ये निलंबित केलेल्या पेशींमधून प्राप्त केला गेला होता आणि परिपक्व बायोकॉम्पोझिटशी थेट तुलना करता येत नाही.
जर लेटेक्सने प्रकाश आणि/किंवा गॅस एक्सचेंजमध्ये अडथळा निर्माण केला ज्यामुळे प्रकाश आणि CO2 निर्बंध येऊ शकतात, त्यामुळे सेल्युलर तणाव निर्माण होऊ शकतो आणि कार्यप्रदर्शन कमी होऊ शकते आणि जर त्याचा O2 रिलीझवर परिणाम झाला तर फोटोरेस्पीरेशन39.बरे झालेल्या कोटिंग्सच्या प्रकाश प्रसारणाचे मूल्यमापन केले गेले: “हार्ड” लेटेक्सने 440 आणि 480 एनएम दरम्यान प्रकाश संप्रेषणामध्ये किंचित घट दर्शविली (सुधारित फिल्म एकत्रीकरणामुळे टेक्सॅनॉलची एकाग्रता वाढवून अंशतः सुधारली), तर “सॉफ्ट” आणि “नियमित” लेटेक्सने प्रकाश संप्रेषणामध्ये थोडीशी घट दर्शविली.नुकसानाचे कोणतेही लक्षणीय नुकसान दर्शवित नाही.अॅसे, तसेच सर्व उष्मायन, कमी प्रकाशाच्या तीव्रतेत (30.5 μmol m-2 s-1) केले गेले, त्यामुळे पॉलिमर मॅट्रिक्समुळे प्रकाशसंश्लेषणदृष्ट्या सक्रिय रेडिएशनची भरपाई केली जाईल आणि फोटोइनहिबिशन रोखण्यासाठी देखील उपयुक्त ठरू शकेल.हानिकारक प्रकाशाच्या तीव्रतेवर.
बायोकॉम्पोझिट CCAP 1479/1A चाचणीच्या 84 दिवसांत, पोषक तत्वांची उलाढाल किंवा बायोमासचे लक्षणीय नुकसान न होता कार्य केले, जे अभ्यासाचे मुख्य उद्दिष्ट आहे.दीर्घकाळ टिकून राहण्यासाठी (विश्रांती स्थिती) नायट्रोजन उपासमारीच्या प्रतिसादात सेल डिपिगमेंटेशन क्लोरोसिसच्या प्रक्रियेशी संबंधित असू शकते, जे पुरेसे नायट्रोजन संचयित झाल्यानंतर पेशींची वाढ पुन्हा सुरू करण्यास मदत करू शकते.SEM प्रतिमांनी पुष्टी केली की पेशी विभाजन असूनही कोटिंगच्या आत पेशी राहिल्या, "सॉफ्ट" लेटेक्सची लवचिकता दर्शविते आणि अशा प्रकारे प्रायोगिक आवृत्तीवर स्पष्ट फायदा दर्शविते."सॉफ्ट" लेटेक्समध्ये सुमारे 70% ब्यूटाइल ऍक्रिलेट (वजनानुसार) असते, जे कोरडे झाल्यानंतर लवचिक कोटिंगसाठी नमूद केलेल्या एकाग्रतेपेक्षा खूप जास्त असते.
CO2 चे निव्वळ अपटेक नियंत्रण निलंबनापेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त होते (S. elongatus CCAP 1479/1A आणि PCC 7942 साठी अनुक्रमे 14-20 आणि 3-8 पट जास्त).पूर्वी, आम्ही CO2 मास ट्रान्सफर मॉडेल वापरला हे दाखवण्यासाठी की उच्च CO2 अपटेकचा मुख्य ड्रायव्हर बायोकॉम्पोझिट 31 च्या पृष्ठभागावर एक तीक्ष्ण CO2 एकाग्रता ग्रेडियंट आहे आणि बायोकॉम्पोझिटची कार्यक्षमता वस्तुमान हस्तांतरणास प्रतिकार करून मर्यादित केली जाऊ शकते.कोटिंगची सच्छिद्रता आणि पारगम्यता वाढवण्यासाठी लेटेक्समध्ये गैर-विषारी, नॉन-फिल्म-फॉर्मिंग घटक समाविष्ट करून या समस्येवर मात केली जाऊ शकते, परंतु सेल टिकवून ठेवण्याशी तडजोड केली जाऊ शकते कारण या धोरणाचा परिणाम अपरिहार्यपणे कमकुवत फिल्म20 मध्ये होईल.पोरोसिटी वाढवण्यासाठी रासायनिक रचना पॉलिमरायझेशन दरम्यान बदलली जाऊ शकते, जो सर्वोत्तम पर्याय आहे, विशेषत: औद्योगिक उत्पादन आणि मापनक्षमतेच्या बाबतीत.
मायक्रोएल्गी आणि सायनोबॅक्टेरियाच्या बायोकंपोझिटचा वापर करून अलीकडील अभ्यासाच्या तुलनेत नवीन बायोकंपोझिटच्या कामगिरीने सेल लोडिंग रेट (टेबल 1)21,46 समायोजित करण्यात आणि दीर्घ विश्लेषण वेळेसह (84 दिवस विरुद्ध 15 तास 46 आणि 3 आठवडे 21) फायदे दर्शविले.
पेशींमधील कर्बोदकांमधे प्रमाणबद्ध सामग्री सायनोबॅक्टेरियाचा वापर करून इतर अभ्यासांशी 47,48,49,50 अनुकूलतेने तुलना करते आणि कार्बन कॅप्चर आणि वापर/पुनर्प्राप्तीसाठी संभाव्य निकष म्हणून वापरली जाते, जसे की BECCS किण्वन प्रक्रिया 49,51 किंवा बायोडिग्रेडेबल उत्पादनासाठी. बायोप्लास्टिक्स52या अभ्यासाच्या तर्काचा भाग म्हणून, आम्ही असे गृहीत धरतो की वनीकरण, अगदी BECCS नकारात्मक उत्सर्जन संकल्पनेमध्ये देखील मानले जाते, हे हवामान बदलासाठी रामबाण उपाय नाही आणि जगाच्या शेतीयोग्य जमिनीचा एक चिंताजनक वाटा वापरते.एक विचार प्रयोग म्हणून, असा अंदाज होता की 640 ते 950 GtCO2 2100 पर्यंत वातावरणातून 1.5°C53 पर्यंत (सुमारे 8 ते 12 GtCO2 प्रति वर्ष) मर्यादित ठेवण्यासाठी वातावरणातून काढून टाकणे आवश्यक आहे.अधिक चांगली कामगिरी करणार्‍या जैवसंमिश्र (574.08 ± 30.19 t CO2 t-1 बायोमास प्रति वर्ष-1) सह हे साध्य करण्यासाठी 5.5 × 1010 ते 8.2 × 1010 m3 (तुलनात्मक प्रकाशसंश्लेषक कार्यक्षमतेसह) 1926 ते 2.2 लिटर क्षमतेसह आकारमानाचा विस्तार आवश्यक आहे. पॉलिमर1 m3 जैवकंपोझिटने 1 m2 जमीन क्षेत्र व्यापले आहे असे गृहीत धरल्यास, लक्ष्य वार्षिक एकूण CO2 शोषून घेण्यासाठी आवश्यक क्षेत्र 5.5 ते 8.17 दशलक्ष हेक्टर दरम्यान असेल, जे जमिनीच्या जीवनासाठी योग्य 0.18-0.27% च्या समतुल्य आहे. उष्णकटिबंधीय, आणि जमीन क्षेत्र कमी.98-99% ने BECCS ची गरज.हे लक्षात घ्यावे की सैद्धांतिक कॅप्चर गुणोत्तर कमी प्रकाशात रेकॉर्ड केलेल्या CO2 शोषणावर आधारित आहे.जैवसंमिश्र अधिक प्रखर नैसर्गिक प्रकाशाच्या संपर्कात येताच, CO2 शोषणाचा दर वाढतो, जमिनीची आवश्यकता कमी होते आणि जैवसंमिश्र संकल्पनेकडे तराजूला पुढे नेले जाते.तथापि, सतत बॅकलाइट तीव्रता आणि कालावधीसाठी अंमलबजावणी विषुववृत्तावर असणे आवश्यक आहे.
CO2 फर्टिलायझेशनचा जागतिक प्रभाव, म्हणजे CO2 च्या उपलब्धतेमुळे वनस्पति उत्पादकतेत झालेली वाढ, बहुतेक भूभागांवर कमी झाली आहे, बहुधा मुख्य माती पोषक घटक (N आणि P) आणि जलस्रोत7 मध्ये बदल झाल्यामुळे.याचा अर्थ असा की, हवेत CO2 सांद्रता वाढलेली असूनही, स्थलीय प्रकाशसंश्लेषणामुळे CO2 शोषणात वाढ होऊ शकत नाही.या संदर्भात, BECCS सारख्या जमिनीवर आधारित हवामान बदल कमी करण्याच्या धोरणांना यश मिळण्याची शक्यता कमी आहे.या जागतिक घटनेची पुष्टी झाल्यास, आमची लाइकेन-प्रेरित बायोकंपोझिट ही एक महत्त्वाची संपत्ती असू शकते, जी एकल-कोशिक जलीय प्रकाशसंश्लेषक सूक्ष्मजंतूंना "ग्राउंड एजंट्स" मध्ये रूपांतरित करते.बहुतेक स्थलीय वनस्पती C3 प्रकाशसंश्लेषणाद्वारे CO2 निश्चित करतात, तर C4 वनस्पती उबदार, कोरड्या निवासस्थानांना अधिक अनुकूल असतात आणि उच्च CO254 आंशिक दाबांवर अधिक कार्यक्षम असतात.सायनोबॅक्टेरिया एक पर्याय ऑफर करतात जो C3 वनस्पतींमध्ये कार्बन डायऑक्साइड कमी होण्याच्या चिंताजनक अंदाजांना ऑफसेट करू शकतो.सायनोबॅक्टेरियाने एक कार्यक्षम कार्बन संवर्धन यंत्रणा विकसित करून फोटोरेस्पीरेटरी मर्यादांवर मात केली आहे ज्यामध्ये कार्बोक्सीसोम्समध्ये कार्बोक्झिसोम्समध्ये ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCo) द्वारे CO2 चा उच्च आंशिक दाब सादर केला जातो आणि राखला जातो.सायनोबॅक्टेरियल बायोकॉम्पोझिटचे उत्पादन वाढवता आले तर, हवामान बदलाविरुद्धच्या लढ्यात मानवजातीसाठी हे एक महत्त्वाचे शस्त्र बनू शकते.
पारंपारिक सूक्ष्म शैवाल आणि सायनोबॅक्टेरिया सस्पेंशन कल्चरच्या तुलनेत बायोकॉम्पोझिट (लाइकेन नक्कल) स्पष्ट फायदे देतात, उच्च CO2 अपटेक दर प्रदान करतात, प्रदूषण जोखीम कमी करतात आणि स्पर्धात्मक CO2 टाळण्याचे आश्वासन देतात.खर्चामुळे जमीन, पाणी आणि पोषक तत्वांचा वापर लक्षणीयरीत्या कमी होतो56.हा अभ्यास उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या बायोकॉम्पॅटिबल लेटेक्सच्या विकासाची आणि निर्मितीची व्यवहार्यता दर्शवितो, ज्याला उमेदवार सब्सट्रेट म्हणून लूफह स्पंजसह एकत्रित केल्यावर, पेशींची हानी कमीत कमी ठेवत अनेक महिन्यांच्या शस्त्रक्रियेमध्ये कार्यक्षम आणि प्रभावी CO2 शोषण प्रदान करू शकते.बायोकंपोजिट्स सैद्धांतिकदृष्ट्या प्रतिवर्षी अंदाजे 570 t CO2 t-1 बायोमास कॅप्चर करू शकतात आणि हवामान बदलाला आमच्या प्रतिसादात BECCS वनीकरण धोरणांपेक्षा ते अधिक महत्त्वाचे सिद्ध होऊ शकतात.पॉलिमर रचनेच्या पुढील ऑप्टिमायझेशनसह, उच्च प्रकाशाच्या तीव्रतेवर चाचणी आणि विस्तृत चयापचय अभियांत्रिकीसह, निसर्गाचे मूळ जैव अभियंता पुन्हा एकदा बचावासाठी येऊ शकतात.
स्टायरीन मोनोमर्स, ब्यूटाइल ऍक्रिलेट आणि ऍक्रेलिक ऍसिड यांचे मिश्रण वापरून ऍक्रेलिक लेटेक्स पॉलिमर तयार केले गेले आणि pH 0.1 M सोडियम हायड्रॉक्साईड (टेबल 2) सह 7 वर समायोजित केले गेले.स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेट हे पॉलिमर साखळ्यांचा मोठा भाग बनवतात, तर ऍक्रेलिक ऍसिड लेटेक्स कणांना सस्पेंशनमध्ये ठेवण्यास मदत करते.लेटेक्सचे संरचनात्मक गुणधर्म काचेच्या संक्रमण तापमान (Tg) द्वारे निर्धारित केले जातात, जे स्टायरीन आणि ब्यूटाइल ऍक्रिलेटचे गुणोत्तर बदलून नियंत्रित केले जाते, जे अनुक्रमे "हार्ड" आणि "सॉफ्ट" गुणधर्म प्रदान करते58.एक सामान्य अॅक्रेलिक लेटेक्स पॉलिमर ५०:५० स्टायरीन:ब्युटाइल अॅक्रिलेट ३० आहे, म्हणून या अभ्यासात या गुणोत्तरासह लेटेकला "सामान्य" लेटेक्स म्हणून संबोधले गेले आणि जास्त स्टायरीन सामग्री असलेल्या लेटेक्सला कमी स्टायरीन सामग्रीसह लेटेक म्हणून संबोधले गेले. ."मऊ" म्हणून "हार्ड" म्हणतात.
30 मोनोमर थेंब स्थिर करण्यासाठी डिस्टिल्ड वॉटर (174 ग्रॅम), सोडियम बायकार्बोनेट (0.5 ग्रॅम) आणि रोडापेक्स एब/20 सर्फॅक्टंट (30.92 ग्रॅम) (सोल्वे) वापरून प्राथमिक इमल्शन तयार केले गेले.सिरिंज पंपसह ग्लास सिरिंज (सायन्स ग्लास इंजिनीअरिंग) वापरून, टेबल 2 मध्ये सूचीबद्ध केलेले स्टायरिन, ब्यूटाइल ऍक्रिलेट आणि ऍक्रेलिक ऍसिड असलेले दुय्यम अ‍ॅलिकोट 4 तासांच्या कालावधीत प्राथमिक इमल्शनमध्ये 100 मिली h-1 दराने ड्रॉपवाइज जोडले गेले (कोल -पामर, माउंट व्हर्नन, इलिनॉय).dHO आणि अमोनियम पर्सल्फेट (100 ml, 3% w/w) वापरून पॉलिमरायझेशन इनिशिएटर 59 चे द्रावण तयार करा.
dHO (206 ग्रॅम), सोडियम बायकार्बोनेट (1 ग्रॅम) आणि रोडापेक्स Ab/20 (4.42 ग्रॅम) असलेले द्रावण ओव्हरहेड स्टिरर (हायडॉल्फ हेई-टॉर्क व्हॅल्यू 100) वापरून स्टेनलेस स्टीलच्या प्रोपेलरने नीट ढवळून घ्या आणि 82 डिग्री सेल्सिअस तापमानात गरम करा. VWR सायंटिफिक 1137P गरम पाण्याच्या बाथमध्ये वॉटर जॅकेट केलेले जहाज.मोनोमर (28.21 ग्रॅम) आणि इनिशिएटर (20.60 ग्रॅम) चे कमी वजनाचे द्रावण जॅकेट केलेल्या भांड्यात ड्रॉपवाइज जोडले गेले आणि 20 मिनिटे ढवळले.उर्वरित मोनोमर (150 ml h-1) आणि इनिशिएटर (27 ml h-1) सोल्यूशन्स जोमदारपणे मिक्स करा जेणेकरून ते कण पाण्याच्या जॅकेटमध्ये 5 तासांहून अधिक होईपर्यंत जोडले जाईपर्यंत ते एका कंटेनरमध्ये अनुक्रमे 10 मिली आणि 100 मि.ली. .सिरिंज पंप सह पूर्ण.स्लरी टिकवून ठेवण्यासाठी स्लरी व्हॉल्यूममध्ये वाढ झाल्यामुळे स्टिररचा वेग वाढला होता.इनिशिएटर आणि इमल्शन जोडल्यानंतर, प्रतिक्रिया तापमान 85°C पर्यंत वाढवले ​​गेले, 450 rpm वर 30 मिनिटे चांगले ढवळले, नंतर 65°C पर्यंत थंड केले.थंड झाल्यावर, लेटेकमध्ये दोन विस्थापन द्रावण जोडले गेले: टर्ट-ब्यूटाइल हायड्रोपेरॉक्साइड (टी-बीएचपी) (70% पाण्यात) (5 ग्रॅम, वजनाने 14%) आणि आयसोस्कॉर्बिक ऍसिड (5 ग्रॅम, वजनाने 10%)..टी-बीएचपी ड्रॉप बाय ड्रॉप घाला आणि 20 मिनिटे सोडा.त्यानंतर सिरिंज पंप वापरून 10 मिली सिरिंजमधून एरिथोर्बिक ऍसिड 4 मिली/तास दराने जोडले गेले.नंतर लेटेक्स द्रावण खोलीच्या तपमानावर थंड केले आणि 0.1M सोडियम हायड्रॉक्साईडसह pH 7 मध्ये समायोजित केले.
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate (Texanol) – लेटेक्स पेंट्स 37,60 साठी कमी विषारीपणाचे बायोडिग्रेडेबल कोलेसेंट – तीन व्हॉल्यूममध्ये सिरिंज आणि पंपसह जोडले गेले (0, 4, 12% v/v) लेटेक मिश्रणासाठी कोलेसिंग एजंट म्हणून कोरडे करताना फिल्म तयार होण्यास मदत होते.लेटेक्स सॉलिड्सची टक्केवारी प्रत्येक पॉलिमरचे 100 μl पूर्व-वजन असलेल्या अॅल्युमिनियम फॉइल कॅप्समध्ये ठेवून आणि ओव्हनमध्ये 100°C वर 24 तास सुकवून निर्धारित केले जाते.
प्रकाश प्रसारणासाठी, 100 µm फिल्म्स तयार करण्यासाठी कॅलिब्रेट केलेल्या स्टेनलेस स्टील ड्रॉप क्यूबचा वापर करून प्रत्येक लेटेक्स मिश्रण मायक्रोस्कोप स्लाइडवर लागू केले गेले आणि 48 तासांसाठी 20°C वर वाळवले गेले.प्रकाश संप्रेषण (प्रकाशसंश्लेषणदृष्ट्या सक्रिय रेडिएशनवर केंद्रित, λ 400–700 nm) 30 W फ्लोरोसेंट दिव्यापासून 35 सेमी अंतरावर सेन्सरसह ILT950 स्पेक्ट्रिलाइट स्पेक्ट्रोराडिओमीटरवर मोजले गेले (सिल्वेनिया लक्सलाइन प्लस, n = 6) जेथे प्रकाश स्त्रोत सायनोबॅक्टेरिया आणि जीव होते संमिश्र साहित्य जतन केले जाते.SpectrILight III सॉफ्टवेअर आवृत्ती 3.5 चा वापर λ 400–700 nm61 श्रेणीमध्ये प्रदीपन आणि प्रसारण रेकॉर्ड करण्यासाठी केला गेला.सर्व नमुने सेन्सरच्या शीर्षस्थानी ठेवण्यात आले होते, आणि कोट न केलेल्या काचेच्या स्लाइड्स नियंत्रण म्हणून वापरल्या गेल्या होत्या.
लेटेक्सचे नमुने सिलिकॉन बेकिंग डिशमध्ये जोडले गेले आणि कडकपणासाठी चाचणी करण्यापूर्वी 24 तास सुकण्यास परवानगी दिली.वाळलेल्या लेटेक्सचा नमुना x10 सूक्ष्मदर्शकाखाली स्टीलच्या टोपीवर ठेवा.फोकस केल्यानंतर, नमुन्यांचे मूल्यमापन बुएलर मायक्रोमेट II मायक्रोहार्डनेस टेस्टरवर केले गेले.नमुन्यात 100 ते 200 ग्रॅम शक्ती होती आणि नमुन्यात डायमंड डेंट तयार करण्यासाठी लोड वेळ 7 सेकंदांवर सेट केला होता.अतिरिक्त आकार मापन सॉफ्टवेअरसह ब्रुकर अॅलिकोना × 10 मायक्रोस्कोप उद्देश वापरून प्रिंटचे विश्लेषण केले गेले.विकर्स कडकपणा फॉर्म्युला (समीकरण 1) प्रत्येक लेटेक्सच्या कडकपणाची गणना करण्यासाठी वापरला गेला, जेथे HV हा विकर्स क्रमांक आहे, F लागू बल आहे आणि d ही लेटेक्सच्या उंची आणि रुंदीवरून गणना केलेल्या इंडेंट कर्णांची सरासरी आहे.इंडेंट मूल्य.इंडेंटेशन चाचणी दरम्यान आसंजन आणि ताणल्यामुळे "सॉफ्ट" लेटेक्स मोजता येत नाही.
लेटेक्स रचनेचे काचेचे संक्रमण तापमान (Tg) निर्धारित करण्यासाठी, पॉलिमरचे नमुने सिलिका जेलच्या डिशमध्ये ठेवले गेले, 24 तास वाळवले गेले, 0.005 ग्रॅम वजन केले गेले आणि सॅम्पल डिशमध्ये ठेवले गेले.डिश कॅप करून डिफरेंशियल स्कॅनिंग कलरीमीटरमध्ये ठेवली होती (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, Pyris डेटा विश्लेषण सॉफ्टवेअर)62.तापमान मोजण्यासाठी अंगभूत तापमान तपासणीसह संदर्भ कप आणि नमुना कप एकाच ओव्हनमध्ये ठेवण्यासाठी उष्णता प्रवाह पद्धत वापरली जाते.एकसंध वक्र तयार करण्यासाठी एकूण दोन रॅम्प वापरण्यात आले.नमुना पद्धत वारंवार -20°C वरून 180°C पर्यंत 20°C प्रति मिनिट दराने वाढवली गेली.प्रत्येक प्रारंभ आणि शेवटचा बिंदू तापमान अंतरासाठी 1 मिनिटासाठी संग्रहित केला जातो.
CO2 शोषून घेण्याच्या बायोकंपोझिटच्या क्षमतेचे मूल्यमापन करण्यासाठी, आमच्या मागील अभ्यासाप्रमाणेच नमुने तयार आणि तपासले गेले.वाळलेल्या आणि ऑटोक्लेव्ह केलेले वॉशक्लोथ अंदाजे 1×1×5 सेमी पट्ट्यामध्ये कापले गेले आणि त्याचे वजन केले गेले.प्रत्येक सायनोबॅक्टेरिया स्ट्रेनच्या दोन सर्वात प्रभावी बायोकोटिंग्सपैकी 600 μl प्रत्येक लूफाह पट्टीच्या एका टोकाला लागू करा, अंदाजे 1 × 1 × 3 सेमी झाकून ठेवा आणि 24 तास अंधारात 20°C वर वाळवा.लूफाच्या मॅक्रोपोरस संरचनेमुळे, काही सूत्र वाया गेले होते, त्यामुळे सेल लोडिंग कार्यक्षमता 100% नव्हती.या समस्येवर मात करण्यासाठी, लूफाहवरील कोरड्या तयारीचे वजन निर्धारित केले गेले आणि संदर्भ कोरड्या तयारीसाठी सामान्य केले गेले.लूफाह, लेटेक्स आणि निर्जंतुक पोषक माध्यमांचा समावेश असलेली अजैविक नियंत्रणे अशाच प्रकारे तयार केली गेली.
अर्ध-बॅच CO2 अपटेक चाचणी करण्यासाठी, बायोकॉम्पोझिट (n = 3) 50 मिली ग्लास ट्यूबमध्ये ठेवा जेणेकरुन बायोकॉम्पोझिटचे एक टोक (बायोकोटिंगशिवाय) 5 मिली वाढीच्या माध्यमाच्या संपर्कात असेल, ज्यामुळे पोषक घटकांना वाढ होऊ शकते. केशिका क्रियेद्वारे वाहतूक केली जाते..बाटली 20 मिमी व्यासासह ब्यूटाइल रबर कॉर्कने सील केली जाते आणि चांदीची अॅल्युमिनियम कॅपने कुरकुरीत केली जाते.एकदा सील केल्यावर, गॅस-टाइट सिरिंजला जोडलेल्या निर्जंतुक सुईने 45 मिली 5% CO2/हवा इंजेक्ट करा.नियंत्रण निलंबनाची सेल घनता (n = 3) पोषक माध्यमातील बायोकॉम्पोझिटच्या सेल लोडच्या समतुल्य होती.चाचण्या 18 ± 2 °C वर 16:8 च्या फोटोपीरियडसह आणि 30.5 μmol m-2 s-1 च्या फोटोपीरियडसह केल्या गेल्या.गॅस-टाइट सिरिंजने दर दोन दिवसांनी डोक्याची जागा काढून टाकण्यात आली आणि CO2 शोषून घेतलेल्या CO2 ची टक्केवारी निश्चित करण्यासाठी इन्फ्रारेड शोषण GEOTech G100 सह CO2 मीटरने विश्लेषण केले.CO2 गॅस मिश्रणाचे समान खंड जोडा.
% CO2 फिक्सची गणना खालीलप्रमाणे केली जाते: % CO2 फिक्स = 5% (v/v) - %CO2 (समीकरण 2) लिहा जेथे P = दाब, V = खंड, T = तापमान, आणि R = आदर्श वायू स्थिरांक.
सायनोबॅक्टेरिया आणि बायोकॉम्पोझिट्सच्या नियंत्रण निलंबनासाठी नोंदवलेले CO2 अपटेक दर गैर-जैविक नियंत्रणासाठी सामान्य केले गेले.जी बायोमासचे कार्यात्मक एकक म्हणजे वॉशक्लोथवर स्थिर असलेल्या कोरड्या बायोमासचे प्रमाण.हे सेल फिक्सेशनच्या आधी आणि नंतर लूफाह नमुने वजन करून निर्धारित केले जाते.सेल लोड मास (बायोमास समतुल्य) साठी लेखांकन कोरडे होण्यापूर्वी आणि नंतर तयारीचे वैयक्तिकरित्या वजन करून आणि सेलच्या तयारीची घनता मोजून (समीकरण 3).फिक्सेशन दरम्यान सेलची तयारी एकसंध असल्याचे गृहित धरले जाते.
रियल स्टॅटिस्टिक्स अॅड-इनसह मिनीटॅब 18 आणि मायक्रोसॉफ्ट एक्सेल सांख्यिकीय विश्लेषणासाठी वापरले गेले.अँडरसन-डार्लिंग चाचणी वापरून सामान्यतेची चाचणी केली गेली आणि लेव्हेन चाचणी वापरून भिन्नतेची समानता तपासली गेली.या गृहितकांचे समाधान करणार्‍या डेटाचे टू-वे अॅनालिसिस ऑफ व्हेरिअन्स (ANOVA) वापरून विश्लेषण करण्यात आले आणि तुकीची चाचणी पोस्ट हॉक विश्लेषण म्हणून केली गेली.सामान्यता आणि समान भिन्नता या गृहितकांची पूर्तता न करणार्‍या द्वि-मार्ग डेटाचे विश्लेषण उपचारांमधील महत्त्व निर्धारित करण्यासाठी शिरर-रे-हारा चाचणी आणि नंतर मान-व्हिटनी यू-चाचणी वापरून केले गेले.सामान्यीकृत रेखीय मिश्रित (GLM) मॉडेल तीन घटकांसह नॉन-नॉर्मल डेटासाठी वापरले गेले होते, जेथे जॉन्सन ट्रान्सफॉर्म63 वापरून डेटाचे रूपांतर केले गेले.टेक्सॅनॉल एकाग्रता, काचेचे संक्रमण तापमान आणि लेटेक्स विषारीपणा आणि आसंजन डेटा यांच्यातील संबंधांचे मूल्यांकन करण्यासाठी पीअरसन उत्पादनांचे क्षण सहसंबंध केले गेले.