Nature.com をご覧いただきありがとうございます。CSS サポートが制限されたバージョンのブラウザを使用しています。最高のエクスペリエンスを実現するには、更新されたブラウザを使用することをお勧めします (または Internet Explorer の互換モードを無効にする)。さらに、継続的なサポートを確保するために、サイトはスタイルと JavaScript なしで表示されます。
3 つのスライドのカルーセルを一度に表示します。「前へ」ボタンと「次へ」ボタンを使用して一度に 3 つのスライドを移動するか、最後にあるスライダー ボタンを使用して一度に 3 つのスライドを移動します。
パリ協定の目標を達成するには、炭素の回収と貯留が不可欠です。光合成は炭素を捕捉する自然の技術です。地衣類からインスピレーションを得て、ヘチマスポンジに塗布されたアクリルラテックスポリマーを使用して、3Dシアノバクテリア光合成バイオコンポジット（つまり地衣類を模倣）を開発しました。バイオ複合材料による CO2 取り込み速度は、バイオマス d-1 の 1.57 ± 0.08 g CO2 g-1 でした。取り込み速度は実験開始時の乾燥バイオマスに基づいており、新しいバイオマスの成長に使用される CO2 と炭水化物などの貯蔵化合物に含まれる CO2 が含まれます。これらの吸収率はスラリー制御手段よりも 14 ～ 20 倍高く、年間 570 トンの CO2 t-1 バイオマスを回収するまでスケールアップできる可能性があります。これは、土地利用の 5.5 ～ 8.17 × 106 ヘクタールに相当し、8 ～ 12 GtCO2 を除去します。年間の CO2。対照的に、炭素の回収と貯蔵を伴う森林バイオエネルギーは 0.4 ～ 1.2 × 109 ヘクタールです。バイオ複合材料は、追加の栄養素や水を加えなくても 12 週間機能を維持し、その後実験は終了しました。気候変動と闘う人類の多面的な技術的スタンスの中で、設計され最適化されたシアノバクテリアバイオ複合材料は、水、栄養素、土地利用の損失を削減しながら、CO2除去を増加させる持続可能かつ拡張可能な展開の可能性を秘めています。
気候変動は、地球規模の生物多様性、生態系の安定性、そして人々にとって真の脅威です。その最悪の影響を軽減するには、調整された大規模な脱炭プログラムが必要であり、当然、何らかの形で大気から温室効果ガスを直接除去する必要がある。発電の積極的な脱炭素化 2,3 にもかかわらず、排ガスの回収は進んでいます 5 が、大気中の二酸化炭素 (CO2) を削減するための経済的に持続可能な技術的解決策は現在ありません 4。スケーラブルで実用的なエンジニアリング ソリューションの代わりに、人々は炭素回収のために自然エンジニア、つまり光合成生物 (光栄養生物) に頼るべきです。光合成は自然の炭素隔離技術ですが、人為的な炭素濃縮を有意義な時間スケールで逆転させる能力には疑問があり、酵素は非効率的であり、適切なスケールで展開する能力にも疑問があります。光合成の可能性のある手段は植林です。植林は、正味 CO21 排出量の削減に役立つマイナス排出技術として、二酸化炭素回収・貯留 (BECCS) によるバイオエネルギーを得るために木を伐採します。しかし、BECCS を主な方法として使用してパリ協定の気温目標 1.5℃を達成するには、現在の世界の耕地の 25 ～ 75% に相当する 0.4 ～ 1.2 × 109 ヘクタールが必要となります6。さらに、CO2施肥の地球規模の影響に伴う不確実性により、森林プランテーションの潜在的な全体的な効率に疑問が生じます7。パリ協定で定められた気温目標を達成するには、毎年 100 秒分の温室効果ガス (GGR) GtCO2 を大気中から除去する必要があります。英国研究イノベーション省は最近、泥炭地の管理、岩石の風化強化、植林、バイオ炭、BECCSプロセスに供給する多年生作物を含む5つのGGR8プロジェクトへの資金提供を発表した。大気中から年間 130 MtCO2 以上の CO2 を除去するコストは、CO2 t 当たり 10 ～ 100 米ドル、泥炭地の修復には年間 0.2 ～ 8.1 MtCO2、岩石の風化には CO2 当たり 52 ～ 480 米ドル、年間 12 ～ 27 MtCO2 です。 , 年間0.4～30ドル。tCO2、3.6 MtCO2/年、森林面積の 1% 増加、0.4 ～ 30 US$/tCO2、6 ～ 41 MtCO2/年、バイオ炭、140 ～ 270 US$/tCO2、永続作物の場合は年間 20 ～ 70 Mt CO2 BECCS9.
これらのアプローチを組み合わせれば、年間 1 億 3,000 万トンの CO2 目標を達成できる可能性がありますが、岩石の風化と BECCS のコストは高く、バイオ炭は比較的安価で土地利用に関係しないものの、バイオ炭の製造プロセスに原料が必要です。は、他の GGR テクノロジーを展開するためにこの開発と番号を提供します。
陸上で解決策を探す代わりに、水、特に微細藻類やシアノバクテリアなどの単細胞光栄養生物を探してください10。藻類 (シアノバクテリアを含む) は世界の二酸化炭素の約 50% を捕捉しますが、世界のバイオマスのわずか 1% を占めます 11。シアノバクテリアは自然界の元来の生物地球工学者であり、酸素発生光合成による呼吸代謝と多細胞生物の進化の基礎を築きました12。シアノバクテリアを使用して炭素を捕捉するというアイデアは新しいものではありませんが、物理的に配置する革新的な方法により、これらの古代の生物に新たな地平が開かれます。
微細藻類とシアノバクテリアを産業目的で使用する場合、開いた池とフォトバイオリアクターがデフォルトの資産となります。これらの培養システムは、細胞が増殖培地中で自由に浮遊する浮遊培養を使用します14。しかし、池やフォトバイオリアクターには、CO2の物質移動が不十分、土地と水の集中使用、生物付着の影響を受けやすい、建設と運営のコストが高いなど、多くの欠点があります15,16。懸濁培養を使用しないバイオフィルムバイオリアクターは、水とスペースの点でより経済的ですが、乾燥損傷のリスクがあり、バイオフィルムの剥離（したがって活性バイオマスの損失）が起こりやすく、同様に生物付着の傾向があります17。
CO2 吸収率を高め、スラリーおよびバイオフィルム反応器を制限する問題に対処するには、新しいアプローチが必要です。そのようなアプローチの 1 つは、地衣類にヒントを得た光合成バイオ複合材料です。地衣類は、地球の陸地面積の約 12% を覆う菌類と光バイオント (微細藻類および/またはシアノバクテリア) の複合体です 18。真菌は、光生物基質の物理的なサポート、保護、固定を提供し、それが今度は真菌に炭素（過剰な光合成産物として）を提供します。提案されているバイオ複合材料は「地衣類模倣物」であり、シアノバクテリアの集中集団がキャリア基板上に薄いバイオコーティングの形で固定化されています。細胞に加えて、バイオコーティングには真菌を置き換えることができるポリマーマトリックスが含まれています。水ベースのポリマーエマルションまたは「ラテックス」は、生体適合性があり、耐久性があり、安価で、取り扱いが容易であり、市販されているため、好ましい19、20、21、22、23、24、25、26。
ラテックスポリマーによる細胞の固定は、ラテックスの組成とフィルム形成プロセスに大きく影響されます。乳化重合は、合成ゴム、接着剤コーティング、シーラント、コンクリート添加剤、紙および繊維コーティング、ラテックスペイントの製造に使用される不均一プロセスです27。これには、高い反応速度やモノマー変換効率、生成物制御の容易さなど、他の重合方法に比べて多くの利点があります 27,28。モノマーの選択は、得られるポリマーフィルムの所望の特性に依存し、混合モノマー系（すなわち、共重合）の場合、得られるポリマー材料を形成するモノマーの異なる比率を選択することによってポリマーの特性を変えることができる。アクリル酸ブチルとスチレンは最も一般的なアクリル ラテックス モノマーの 1 つであり、ここで使用されます。さらに、均一なフィルム形成を促進するために造膜剤（テキサノールなど）がよく使用され、ポリマーラテックスの特性を変化させて強力で「連続的な」（造膜）コーティングを生成することができます。私たちの最初の概念実証研究では、ヘチマスポンジに塗布された市販のラテックスペイントを使用して、高表面積、高気孔率の 3D バイオ複合材料が製造されました。長く継続的な操作 (8 週間) の後、細胞の成長によりラテックスの構造的完全性が弱まったため、バイオ複合材料はヘチマの足場にシアノバクテリアを保持する能力が限られていました。現在の研究では、ポリマーの分解を犠牲にすることなく炭素捕捉用途で継続的に使用できる既知の化学的性質の一連のアクリルラテックスポリマーを開発することを目的としました。そうすることで、実証済みのバイオ複合材料と比較して生物学的性能が向上し、機械的弾性が大幅に向上する地衣類様ポリマーマトリックス要素を作成できることを実証しました。さらなる最適化により、特に CO2 隔離を強化するために代謝的に改変されたシアノバクテリアと組み合わせる場合、炭素捕捉のためのバイオ複合材料の取り込みが加速されます。
3 種類のポリマー配合 (H = 「ハード」、N = 「ノーマル」、S = 「ソフト」) と 3 種類のテキサノール (0、4、12% v/v) を含む 9 種類のラテックスの毒性とひずみの相関性をテストしました。接着剤。2 つのシアノバクテリアから。ラテックスの種類は、S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare 検定、ラテックス: DF=2、H=23.157、P=<0.001) および CCAP 1479/1A (二元配置分散分析、ラテックス: DF=2、F) に有意な影響を与えました。 = 103.93、P = < 0.001) (図 1a)。テキサノールの濃度は S. elongatus PCC 7942 の増殖に大きな影響を与えず、N-ラテックスのみが無毒であり (図 1a)、0 N と 4 N ではそれぞれ 26% と 35% の増殖を維持しました (Mann- Whitney U、0 N 対 4 N: W = 13.50、P = 0.245; 0 N 対対照: W = 25.0、P = 0.061; 4 N 対対照: W = 25.0、P = 0.061) および 12 N は同等の成長を維持生物学的対照に対する比較 (マンホイットニー大学、12 N 対対照: W = 17.0、P = 0.885)。S. elongatus CCAP 1479/1A では、ラテックス混合物とテキサノール濃度の両方が重要な因子であり、両者の間に有意な相互作用が観察されました (二元配置分散分析、ラテックス: DF=2、F=103.93、P=<0.001、テキサノール) ：DF=2、F=5.96、P=0.01、ラテックス*テキサノール：DF=4、F=3.41、P=0.03）。0 Nおよびすべての「柔らかい」ラテックスは成長を促進しました（図1a）。スチレン組成を減少させると成長が改善される傾向があります。
ラテックス製剤に対するシアノバクテリア (Synechococcus elongatus PCC 7942 および CCAP 1479/1A) の毒性および付着試験、ガラス転移温度 (Tg) との関係、および毒性および付着データに基づく決定マトリックス。(a) 毒性試験は、対照懸濁培養物に対して正規化されたシアノバクテリアの増殖率の別個のプロットを使用して実施されました。* でマークされた治療は対照と大きく異なります。(b) Tg ラテックスに対するシアノバクテリアの増殖データ (平均 ± SD; n = 3)。(c) バイオ複合材料接着試験から放出されたシアノバクテリアの累積数。(d) ラテックスの接着データ対 Tg (平均 ± StDev; n = 3)。e 毒性および付着データに基づく意思決定マトリックス。スチレンとアクリル酸ブチルの比率は、「ハード」(H) ラテックスの場合は 1:3、「ノーマル」(N) の場合は 1:1、「ソフト」(S) の場合は 3:1 です。ラテックスコードの前の数字はテキサノールの含有量に対応します。
ほとんどの場合、テキサノール濃度の増加とともに細胞生存率は減少しましたが、どの株でも有意な相関はありませんでした（CCAP 1479/1A: DF = 25、r = -0.208、P = 0.299; PCC 7942: DF = 25、r = – 0.127、P = 0.527)。図上。図１ｂは、細胞成長とガラス転移温度（Ｔｇ）との関係を示す。テキサノール濃度と Tg 値の間には強い負の相関関係があります (H-ラテックス: DF=7、r=-0.989、P=<0.001; N-ラテックス: DF=7、r=-0.964、P=<0.001) ；Ｓ－ラテックス：ＤＦ＝７、ｒ＝－０．９４６、Ｐ＝＜０．００１）。データは、S. elongatus PCC 7942 の増殖に最適な Tg は約 17 °C (図 1b) であるのに対し、S. elongatus CCAP 1479/1A は 0 °C 未満の Tg を好むことを示しました (図 1b)。S. elongatus CCAP 1479/1A のみが、Tg と毒性データの間に強い負の相関を示しました (DF=25、r=-0.857、P=<0.001)。
すべてのラテックスは良好な接着親和性を持ち、72 時間後に 1% を超える細胞を放出するラテックスはありませんでした (図 1c)。S. elongatus の 2 つの菌株のラテックス間に有意差はありませんでした (PCC 7942: シャイラー-レイ-ハラ テスト、ラテックス*テキサノール、DF=4、H=0.903; P=0.924; CCAP 1479/1A: シャイラー-レイテスト）。– ウサギ試験、ラテックス*テキサノール、DF=4、H=3.277、P=0.513)。テキサノールの濃度が増加すると、より多くの細胞が放出されます (図 1c)。S. elongatus PCC 7942 との比較 (DF = 25、r = -0.660、P = < 0.001) (図 1d)。さらに、2 つの菌株の Tg と細胞接着の間に統計的関係はありませんでした (PCC 7942: DF=25、r=0.301、P=0.127; CCAP 1479/1A: DF=25、r=0.287、P=0.147)。
どちらの菌株でも、「硬い」ラテックスポリマーは効果がありませんでした。対照的に、4Nおよび12NはS. elongatus PCC 7942に対して最も優れたパフォーマンスを示し、4Sおよび12SはCCAP 1479/1Aに対して最も優れたパフォーマンスを示しました（図1e）が、ポリマーマトリックスをさらに最適化する余地があることは明らかです。これらのポリマーは、半バッチ正味 CO2 吸収試験に使用されています。
水性ラテックス組成物中に懸濁した細胞を使用して、光生理学を７日間監視した。一般に、見かけの光合成速度 (PS) と最大 PSII 量子収量 (Fv/Fm) は両方とも時間とともに減少しますが、この減少は不均一であり、一部の PS データセットは二相性応答を示し、リアルタイムで回復するものの、部分応答を示唆しています。 PS 活動が短くなります (図 2a および 3b)。二相性の Fv/Fm 応答はそれほど顕著ではありませんでした (図 2b および 3b)。
対照浮遊培養と比較した、ラテックス製剤に応答したSynechococcus elongatus PCC 7942の（a）見かけの光合成速度（PS）および（b）最大PSII量子収量（Fv/Fm）。スチレンとアクリル酸ブチルの比率は、「ハード」(H) ラテックスの場合は 1:3、「ノーマル」(N) の場合は 1:1、「ソフト」(S) の場合は 3:1 です。ラテックスコードの前の数字はテキサノールの含有量に対応します。(平均±標準偏差; n = 3)。
対照浮遊培養と比較した、ラテックス製剤に応答したSynechococcus elongatus CCAP 1479/1Aの（a）見かけの光合成速度（PS）および（b）最大PSII量子収量（Fv/Fm）。スチレンとアクリル酸ブチルの比率は、「ハード」(H) ラテックスの場合は 1:3、「ノーマル」(N) の場合は 1:1、「ソフト」(S) の場合は 3:1 です。ラテックスコードの前の数字はテキサノールの含有量に対応します。(平均±標準偏差; n = 3)。
S. elongatus PCC 7942 では、組成は重要な要素でしたが (GLM)、ラテックス組成とテキサノール濃度は経時的に PS に影響を与えませんでした (GLM、ラテックス * テキサノール * 時間、DF = 28、F = 1.49、P = 0.07)。、ラテックス * 時間、DF = 14、F = 3.14、P = <0.001) (図 2a)。経時的なテキサノール濃度の有意な影響はありませんでした (GLM、テキサノール * 時間、DF=14、F=1.63、P=0.078)。Fv/Fm に影響を与える有意な相互作用がありました (GLM、ラテックス*テキサノール*時間、DF=28、F=4.54、P=<0.001)。ラテックス配合物とテキサノール濃度の間の相互作用は、Fv/Fm に有意な影響を及ぼしました (GLM、ラテックス * テキサノール、DF=4、F=180.42、P=<0.001)。各パラメーターは経時的な Fv/Fm にも影響します (GLM、Latex*Time、DF=14、F=9.91、P=<0.001、および Texanol*Time、DF=14、F=10.71、P=< 0.001)。ラテックス 12H は最低の平均 PS 値と Fv/Fm 値を維持しました (図 2b)。これは、このポリマーがより毒性であることを示しています。
S. elongatus CCAP 1479/1A の PS は、テキサノール濃度ではなくラテックス組成によって有意に異なりました (GLM、ラテックス * テキサノール * 時間、DF = 28、F = 2.75、P = <0.001) (GLM、ラテックス * 時間、DF) =14、F=6.38、P=<0.001、GLM、テキサノール*時間、DF=14、F=1.26、P=0.239)。「ソフト」ポリマー 0S および 4S は、対照懸濁液よりわずかに高いレベルの PS 性能を維持し (Mann-Whitney U、0S 対対照、W = 686.0、P = 0.044、4S 対対照、W = 713、P = 0.01)、改善されたFv。/Fm（図3a）は、光化学系IIへのより効率的な輸送を示しています。CCAP 1479/1A 細胞の Fv/Fm 値については、経時的にラテックスに有意な差がありました (GLM、ラテックス*テキサノール*時間、DF=28、F=6.00、P=<0.001) (図 3b)。）。
図上。図４は、各株の細胞増殖の関数として７日間にわたる平均ＰＳおよびＦｖ／Ｆｍを示す。S. elongatus PCC 7942には明確なパターンがありませんでしたが（図4aおよびb）、CCAP 1479/1AはPS（図4c）とFv / Fm（図4d）値の間に放物線の関係を示しました。スチレンとアクリル酸ブチルの比率は変化とともに増加します。
ラテックス製剤上のSynechococcus longumの増殖と光生理学との関係。(a) 見かけの光合成速度 (PS) に対してプロットされた毒性データ、(b) PCC 7942 の最大 PSII 量子収量 (Fv/Fm)。 c PS および d Fv/Fm CCAP 1479/1A に対してプロットされた毒性データ。スチレンとアクリル酸ブチルの比率は、「ハード」(H) ラテックスの場合は 1:3、「ノーマル」(N) の場合は 1:1、「ソフト」(S) の場合は 3:1 です。ラテックスコードの前の数字はテキサノールの含有量に対応します。(平均±標準偏差; n = 3)。
バイオコンポジット PCC 7942 は、最初の 4 週間で顕著な細胞浸出があり、細胞保持に対する効果は限定的でした (図 5)。CO2 取り込みの初期段階の後、12 N ラテックスで固定された細胞は CO2 を放出し始め、このパターンは 4 日目から 14 日目まで持続しました (図 5b)。これらのデータは、顔料の変色の観察と一致しています。正味の CO2 取り込みは 18 日目から再び始まりました。細胞放出にもかかわらず (図 5a)、PCC 7942 12 N バイオ複合材料は 28 日間にわたって、わずかではありますが、対照懸濁液よりも多くの CO2 を蓄積しました (Mann-Whitney U 検定、W = 2275.5; P = 0.066)。ラテックス 12 N および 4 N による CO2 吸収速度は、バイオマス d-1 の 0.51 ± 0.34 および 1.18 ± 0.29 g CO2 g-1 です。治療レベルと時間レベルの間には統計的に有意な差がありました (チェアラー・レイ・ヘア検定、治療: DF=2、H=70.62、P=<0.001 時間: DF=13、H=23.63、P=0.034)。そうではありませんでした。治療と時間の間には有意な関係がありました (Chairer-Ray-Har 検定、時間 * 治療: DF=26、H=8.70、P=0.999)。
4N および 12N ラテックスを使用した Synechococcus elongatus PCC 7942 バイオ複合材料のハーフバッチ CO2 吸収試験。(a) 画像は、細胞の放出と色素の変色、および試験前後のバイオ複合材料の SEM 画像を示しています。白い点線は、バイオ複合材料上の細胞の堆積部位を示します。(b) 4 週間にわたる累積正味 CO2 摂取量。「通常」(N) ラテックスのスチレンとアクリル酸ブチルの比率は 1:1 です。ラテックスコードの前の数字はテキサノールの含有量に対応します。(平均±標準偏差; n = 3)。
4Sおよび12Sを含むCCAP 1479/1A株では細胞保持が大幅に改善されましたが、色素は時間の経過とともにゆっくりと色が変化しました（図6a）。バイオコンポジット CCAP 1479/1A は、追加の栄養補助食品なしで丸 84 日間 (12 週間) CO2 を吸収します。SEM分析（図6a）により、小細胞の剥離が視覚的に観察されたことが確認されました。当初、細胞はラテックスコーティングで覆われており、細胞の増殖にもかかわらず完全性が維持されていました。CO2 摂取率は対照群よりも有意に高かった (Scheirer-Ray-Har 検定、治療: DF=2; H=240.59; P=<0.001、時間: DF=42; H=112; P=<0.001) (図6b)。12S バイオ複合材料は最も高い CO2 吸収量 (1 日あたり 1.57 ± 0.08 g CO2 g-1 バイオマス) を達成しましたが、4S ラテックスは 1 日あたり 1.13 ± 0.41 g CO2 g-1 バイオマスでしたが、有意な差はありませんでした (Mann-Whitney U) .テスト、W = 1507.50; P = 0.07）、治療と時間の間に有意な相互作用はありませんでした（Shirer-Rey-Hara テスト、時間 * 治療: DF = 82; H = 10.37; P = 1.000）。
4N および 12N ラテックスを含む Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A バイオ複合材料を使用した半ロットの CO2 吸収試験。(a) 画像は、細胞の放出と色素の変色、および試験前後のバイオ複合材料の SEM 画像を示しています。白い点線は、バイオ複合材料上の細胞の堆積部位を示します。(b) 12 週間にわたる累積正味 CO2 摂取量。「ソフト」(S) ラテックスのスチレンとアクリル酸ブチルの比率は 1:1 です。ラテックスコードの前の数字はテキサノールの含有量に対応します。(平均±標準偏差; n = 3)。
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har 検定、時間*処理: DF=4、H=3.243、P=0.518) またはバイオコンポジット S. elongatus CCAP 1479/1A (two-ANOVA、時間*処理: DF=8) 、F = 1.79、P = 0.119）（図S4）。バイオコンポジット PCC 7942 は 2 週目に最も高い炭水化物含有量を示しました (4 N = 59.4 ± 22.5 wt%、12 N = 67.9 ± 3.3 wt%)。一方、コントロール懸濁液は 4 週目に最も高い炭水化物含有量を示しました (コントロール = 59.6 ± 2.84%) w/w)。CCAP 1479/1A バイオ複合材料の総炭水化物含有量は、試験の開始時を除き、対照懸濁液と同等でしたが、4 週目に 12S ラテックスに若干の変化がありました。バイオ複合材料の最高値は 51.9 ± 9.6 wt% でした。 4S の場合は 77.1 ± 17.0 wt%、12S の場合は 77.1 ± 17.0 wt%。
我々は、生体適合性や性能を犠牲にすることなく、地衣類模倣バイオ複合材料コンセプトの重要な構成要素として、薄膜ラテックスポリマーコーティングの構造的完全性を高めるための設計の可能性を実証することに着手しました。実際、細胞増殖に関連する構造的課題が克服されれば、すでに他のシアノバクテリアや微細藻類の炭素捕捉システムに匹敵する実験用バイオコンポジットよりも大幅な性能の向上が期待されます。
コーティングは無毒で耐久性があり、長期の細胞接着をサポートする必要があり、効率的な CO2 物質移動と O2 脱気を促進するために多孔質でなければなりません。ラテックスタイプのアクリルポリマーは調製が簡単で、塗料、繊維、接着剤業界で広く使用されています30。私たちはシアノバクテリアを、特定の比率のスチレン/アクリル酸ブチル粒子とさまざまな濃度のテキサノールで重合させた水ベースのアクリルラテックスポリマーエマルションと組み合わせました。スチレンとアクリル酸ブチルは、物理的特性、特にコーティングの弾性と合体効率 (強力で接着性の高いコーティングに重要) を制御できるように選択され、「硬い」粒子集合体と「柔らかい」粒子集合体の合成が可能になります。毒性データは、スチレン含有量が高い「硬い」ラテックスがシアノバクテリアの生存に役立たないことを示唆しています。アクリル酸ブチルとは異なり、スチレンは藻類に対して有毒であると考えられています 32,33。シアノバクテリア株はラテックスに対してまったく異なる反応を示し、S. elongatus PCC 7942 の最適ガラス転移温度 (Tg) が決定されましたが、S. elongatus CCAP 1479/1A は Tg と負の直線関係を示しました。
乾燥温度は、連続した均一なラテックスフィルムを形成する能力に影響します。乾燥温度が最低造膜温度 (MFFT) より低い場合、ポリマー ラテックス粒子は完全には合体せず、粒子界面でのみ接着します。得られるフィルムは接着力と機械的強度が低く、粉末状になることもあります29。MFFT は Tg と密接に関係しており、モノマー組成やテキサノールなどの合体剤の添加によって制御できます。Tg は、得られるコーティングの物理的特性の多くを決定します。コーティングはゴム状またはガラス状の状態になります 34。Flory-Fox 式 35 によれば、Tg はモノマーの種類と相対的な組成百分率に依存します。造膜剤を添加すると、ラテックス粒子の Tg を断続的に抑制することで MFFT を下げることができ、これにより低温での膜形成が可能になりますが、造膜剤は時間の経過とともにゆっくりと蒸発するか、抽出されるため、依然として硬くて強力なコーティングを形成します 36。
テキサノールの濃度を高めると、乾燥中の粒子による吸収によりポリマー粒子が軟化し（Tg が低下）、膜形成が促進され、それによって粘着膜の強度と細胞接着が増加します。バイオ複合材料は周囲温度 (約 18 ～ 20 °C) で乾燥されるため、「硬い」ラテックスの Tg (30 ～ 55 °C) は乾燥温度よりも高く、粒子の合体が最適ではない可能性があり、その結果、 B フィルムはガラス質のままで、機械的特性や接着特性が低く、弾性や拡散性が制限されており 30、最終的には細胞損失が大きくなります。「通常」および「軟質」ポリマーからのフィルム形成は、ポリマーフィルムの Tg 以下で発生し、凝集性の向上によってフィルム形成が改善され、その結果、機械的、凝集性、および接着性が向上した連続ポリマーフィルムが得られます。得られたフィルムは、その Tg が周囲温度 30 に近い (「標準」ブレンド: 12 ～ 20 °C) か、はるかに低い (「ソフト」ブレンド: -21 ～ -13 °C) ため、CO2 捕捉実験中はゴム状のままです。「ハード」ラテックス (3.4 ～ 2.9 kgf mm-1) は、「通常」ラテックス (1.0 ～ 0.9 kgf mm-1) の 3 倍の硬さです。「柔らかい」ラテックスの硬度は、室温で過度のゴム性と粘着性があるため、微小硬度では測定できません。表面電荷も接着親和性に影響を与える可能性がありますが、意味のある情報を提供するにはさらに多くのデータが必要です。ただし、すべてのラテックスは効果的に細胞を保持し、放出されるのは 1% 未満でした。
光合成の生産性は時間の経過とともに低下します。ポリスチレンへの曝露は膜破壊と酸化ストレスを引き起こします38、39、40、41。0S および 4S に曝露された S. elongatus CCAP 1479/1A の Fv/Fm 値は、懸濁液対照と比較してほぼ 2 倍高く、これは 4S バイオ複合材料の CO2 取り込み速度および平均PS値が低くなります。価値観。より高い Fv/Fm 値は、PSII への電子輸送により多くの光子が送達される可能性があることを示しており 42、その結果 CO2 固定率が高くなる可能性があります。ただし、光生理学的データはラテックス水溶液に懸濁した細胞から得られたものであり、必ずしも成熟したバイオ複合材料と直接比較できるわけではないことに注意する必要があります。
ラテックスが光やガス交換に対する障壁を作り、その結果、光や CO2 が制限されると、細胞ストレスを引き起こしてパフォーマンスが低下する可能性があり、O2 放出に影響を与える場合は、光呼吸に影響します 39。硬化したコーティングの光透過率を評価しました。「硬い」ラテックスは 440 ～ 480 nm の間で光透過率のわずかな低下を示しました (フィルムの合体性が向上するため、テキサノールの濃度を増加することで部分的に改善されました)。一方、「柔らかい」ラテックスと「普通」のラテックスは」ラテックスは光透過率のわずかな低下を示しました。目立った損失の減少は見られません。アッセイおよびすべてのインキュベーションは低光強度 (30.5 μmol m-2 s-1) で行われたため、ポリマーマトリックスによる光合成活性放射線は補償され、光阻害の防止にも役立つ可能性があります。有害な光強度で。
バイオ複合材料 CCAP 1479/1A は、84 日間の試験期間中、研究の重要な目的である栄養素の代謝回転やバイオマスの大幅な損失なしに機能しました。細胞の色素脱失は、長期生存（休止状態）を達成するための窒素欠乏に反応する白化のプロセスに関連している可能性があり、これは十分な窒素蓄積が達成された後に細胞が増殖を再開するのに役立つ可能性があります。SEM 画像では、細胞分裂にもかかわらず細胞がコーティング内に残っていることが確認され、「柔らかい」ラテックスの弾性が実証され、実験版と比べて明らかな利点が示されました。「ソフト」ラテックスには約 70% のブチルアクリレート (重量比) が含まれており、これは乾燥後の柔軟なコーティングの規定濃度よりもはるかに高くなります 44。
CO2 の正味取り込み量は、対照懸濁液のそれよりも大幅に高かった (S. elongatus CCAP 1479/1A および PCC 7942 では、それぞれ 14 ～ 20 倍および 3 ～ 8 倍高かった)。以前、我々は CO2 物質移動モデルを使用して、高い CO2 取り込みの主な要因はバイオ複合材料の表面での急激な CO2 濃度勾配であること、およびバイオ複合材料の性能が物質移動に対する抵抗によって制限される可能性があることを示しました。この問題は、ラテックスに非毒性の非皮膜形成成分を組み込んでコーティングの多孔性と透過性を高めることで解決できます26が、この戦略では必然的に皮膜が弱くなるため、細胞の保持が損なわれる可能性があります20。重合中に化学組成を変更して気孔率を高めることができますが、これは特に工業生産と拡張性の観点から最良の選択肢です45。
微細藻類およびシアノバクテリア由来のバイオコンポジットを使用した最近の研究と比較した新しいバイオコンポジットの性能は、細胞負荷速度の調整 (表 1)21,46、およびより長い分析時間 (84 日対 15 時間 46 および 3 週間 21) において利点を示しました。
細胞内の炭水化物の体積含有量は、シアノバクテリアを使用した他の研究 47,48,49,50 と比べて優れており、BECCS 発酵プロセス 49,51 や生分解性物質の生産などの炭素捕捉および利用/回収用途の潜在的な基準として使用されます。バイオプラスチック52 ．この研究の論理的根拠の一部として、植林は、BECCS のネガティブ排出概念で考慮されているとしても、気候変動に対する万能薬ではなく、世界の耕地の驚くべき割合を消費していると仮定しています6。思考実験として、地球の気温上昇を 1.5℃に抑えるには、2100 年までに 640 ～ 950 GtCO2 を大気中から除去する必要があると推定されました53 (年間約 8 ～ 12 GtCO2)。より優れた性能のバイオ複合材料（年間 574.08 ± 30.19 t CO2 t-1 バイオマス）でこれを達成するには、1,960 万リットルから 29 億 2,000 万リットルのポリマー。1 m3 のバイオ複合材料が 1 m2 の土地面積を占めると仮定すると、目標とする年間総 CO2 を吸収するのに必要な面積は 550 万ヘクタールから 817 万ヘクタールとなり、これは土地の耐用年数に適した面積の 0.18 から 0.27% に相当します。熱帯地方、土地面積を減らします。BECCS の必要性は 98 ～ 99% です。理論上の捕捉率は、低照度で記録された CO2 吸収に基づいていることに注意してください。バイオ複合材料がより強い自然光にさらされるとすぐに、CO2 の吸収速度が増加し、必要な土地がさらに削減され、バイオ複合材料のコンセプトにさらにスケールが傾きます。ただし、バックライトの強度と継続時間を一定にするために、実装は赤道になければなりません。
CO2 施肥の世界的な影響、つまり CO2 利用可能量の増加による植生の生産性の向上は、おそらく主要な土壌栄養素 (N と P) と水資源の変化のため、ほとんどの陸地で減少しました 7。これは、空気中の二酸化炭素濃度が上昇しているにもかかわらず、陸上の光合成が二酸化炭素の摂取量の増加につながらない可能性があることを意味します。これに関連して、BECCS のような地上ベースの気候変動緩和戦略が成功する可能性はさらに低いです。この世界的な現象が確認されれば、地衣類からヒントを得た当社のバイオ複合材料は、単細胞の水生光合成微生物を「地上エージェント」に変える重要な資産となる可能性があります。ほとんどの陸生植物は C3 光合成によって CO2 を固定しますが、C4 植物はより暖かく乾燥した生息地に適しており、より高い CO254 分圧でより効率的です。シアノバクテリアは、C3 植物における二酸化炭素への曝露量の減少という憂慮すべき予測を相殺する可能性のある代替手段を提供します。シアノバクテリアは、周囲のカルボキシソーム内のリブロース-1,5-二リン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ (RuBisCo) によってより高い CO2 分圧が提示され維持される、効率的な炭素富化メカニズムを開発することにより、光呼吸の限界を克服しました。シアノバクテリアのバイオ複合材料の生産を増やすことができれば、気候変動と戦う人類にとって重要な武器になる可能性があります。
バイオ複合材料（地衣類模倣物）は、従来の微細藻類やシアノバクテリアの浮遊培養に比べて明らかな利点を提供し、より高い CO2 吸収率を提供し、汚染リスクを最小限に抑え、競争力のある CO2 回避を約束します。コストにより、土地、水、栄養素の使用が大幅に削減されます56。この研究は、基材候補としてヘチマスポンジと組み合わせることで、細胞の損失を最小限に抑えながら数か月にわたる手術にわたって効率的かつ効果的な CO2 摂取を提供できる、高性能の生体適合性ラテックスの開発と製造の実現可能性を実証しています。バイオ複合材料は理論的には年間約 570 t CO2 t-1 のバイオマスを回収することができ、気候変動への対応において BECCS 植林戦略よりも重要であることが判明する可能性があります。ポリマー組成のさらなる最適化、より高い光強度でのテスト、および精巧な代謝工学との組み合わせにより、自然本来の生物地球工学者が再び救助に来ることができます。
アクリルラテックスポリマーは、スチレンモノマー、アクリル酸ブチル、アクリル酸の混合物を使用して調製し、0.1 M 水酸化ナトリウムで pH を 7 に調整しました (表 2)。スチレンとアクリル酸ブチルはポリマー鎖の大部分を構成し、アクリル酸はラテックス粒子を懸濁状態に保つのに役立ちます57。ラテックスの構造特性はガラス転移温度 (Tg) によって決まり、ガラス転移温度 (Tg) はスチレンとアクリル酸ブチルの比率を変えることによって制御され、それぞれ「硬い」特性と「柔らかい」特性が得られます58。典型的なアクリルラテックスポリマーは、スチレン：アクリル酸ブチル 30 が 50:50 であるため、この研究では、この比率のラテックスを「通常」ラテックスと呼び、スチレン含有量が高いラテックスをスチレン含有量が低いラテックスと呼びました。 。「ソフト」を「ハード」と呼びます。
蒸留水（１７４ｇ）、重炭酸ナトリウム（０．５ｇ）およびＲｈｏｄａｐｅｘ Ａｂ／２０界面活性剤（３０．９２ｇ）（Ｓｏｌｖａｙ）を使用して一次エマルジョンを調製し、３０個のモノマー液滴を安定化した。シリンジポンプを備えたガラスシリンジ（Science Glass Engineering）を使用して、表 2 にリストされているスチレン、アクリル酸ブチルおよびアクリル酸を含む二次アリコートを 100 ml h-1 の速度で一次エマルジョンに 4 時間かけて滴下しました（Cole -イリノイ州マウントバーノン、パーマー）。dHO と過硫酸アンモニウム (100 ml、3% w/w) を使用して、重合開始剤 59 の溶液を調製します。
ステンレス鋼プロペラを備えたオーバーヘッドスターラー (Heidolph Hei-TORQUE 値 100) を使用して、dH2O (206 g)、重炭酸ナトリウム (1 g) および Rhodapex Ab/20 (4.42 g) を含む溶液を撹拌し、恒温槽で 82℃ に加熱します。 VWR Scientific 1137P 加熱水浴内のウォータージャケット付き容器。モノマー（２８．２１ｇ）と開始剤（２０．６０ｇ）の減量溶液をジャケット付き容器に滴下し、２０分間撹拌した。残りのモノマー (150 ml h-1) 溶液と開始剤 (27 ml h-1) 溶液を激しく混合し、容器内のそれぞれ 10 ml シリンジと 100 ml を使用して粒子をウォーター ジャケットに添加するまで 5 時間かけて懸濁液状態に保ちます。 。シリンジポンプで完成。スラリーの保持を確実にするために、スラリーの体積が増加したため、スターラーの速度が増加しました。開始剤およびエマルションを添加した後、反応温度を85℃まで上昇させ、450rpmで30分間よく撹拌し、次いで65℃まで冷却した。冷却後、２つの置換溶液、すなわちｔｅｒｔ－ブチルヒドロペルオキシド（ｔ－ＢＨＰ）（水中７０％）（５ｇ、１４重量％）およびイソアスコルビン酸（５ｇ、１０重量％）をラテックスに添加した。。t-BHPを一滴ずつ加え、20分間放置します。次いで、エリソルビン酸を、シリンジポンプを使用して１０ｍｌシリンジから４ｍｌ／時間の速度で添加した。次いで、ラテックス溶液を室温に冷却し、０．１Ｍ水酸化ナトリウムでｐＨ７に調整した。
2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール モノイソブチレート (テキサノール) – ラテックス塗料用の低毒性生分解性造膜剤 37,60 – をシリンジとポンプを使用して 3 つの容量 (0、4、12% v/v) で添加しました。乾燥中のフィルム形成を促進するためのラテックス混合物の造膜剤として。ラテックス固形分のパーセンテージは、各ポリマー 100 μl をあらかじめ秤量したアルミホイルのキャップに入れ、100℃のオーブンで 24 時間乾燥させることによって測定しました。
光透過性を高めるために、100 μm のフィルムを生成するように調整されたステンレス鋼ドロップ キューブを使用して各ラテックス混合物を顕微鏡スライドに塗布し、20℃で 48 時間乾燥させました。光透過率（光合成活性放射、λ 400 ～ 700 nm に焦点を当てた）は、30 W 蛍光灯（Sylvania Luxline Plus、n = 6）から 35 cm の距離にセンサーを備えた ILT950 SpectriLight 分光放射計で測定されました。ソースはシアノバクテリアと生物でした。複合材料は保存されます。SpectrILight III ソフトウェア バージョン 3.5 を使用して、λ 400 ～ 700 nm61 の範囲で照度と透過率を記録しました。すべてのサンプルをセンサーの上に置き、コーティングされていないスライドガラスを対照として使用しました。
ラテックスサンプルをシリコン製のグラタン皿に加え、24 時間乾燥させた後、硬度をテストしました。乾燥したラテックスサンプルを 10 倍の顕微鏡の下でスチールキャップ上に置きます。焦点を合わせた後、サンプルをBuehler Micromet II微小硬度試験機で評価しました。サンプルに 100 ～ 200 グラムの力を加え、負荷時間を 7 秒に設定して、サンプルにダイヤモンドのへこみを作成しました。プリントは、追加の形状測定ソフトウェアを備えた Bruker Alicona × 10 顕微鏡対物レンズを使用して分析されました。ビッカース硬度の式 (式 1) を使用して各ラテックスの硬度を計算しました。ここで、HV はビッカース数、F は加えられた力、d はラテックスの高さと幅から計算されたインデント対角線の平均です。インデント値。「柔らかい」ラテックスは、押し込み試験中に粘着力や伸びが発生するため、測定できません。
ラテックス組成物のガラス転移温度（Ｔｇ）を測定するために、ポリマーサンプルをシリカゲル皿に置き、２４時間乾燥させ、０．００５ｇまで秤量し、サンプル皿に置いた。皿に蓋をし、示差走査比色計 (PerkinElmer DSC 8500、Intercooler II、Pyris データ分析ソフトウェア) 62 に置きました。熱流法は、温度を測定するための内蔵温度プローブを備えたリファレンス カップとサンプル カップを同じオーブン内に配置するために使用されます。一貫したカーブを作成するために、合計 2 つのランプが使用されました。サンプル法では、毎分 20℃の速度で -20℃から 180℃まで繰り返し昇温しました。温度ラグを考慮して、各開始点と終了点は 1 分間保存されます。
バイオ複合材料の CO2 吸収能力を評価するために、以前の研究と同じ方法でサンプルを調製し、テストしました 31。乾燥し、オートクレーブ処理した手ぬぐいを約 1 × 1 × 5 cm の細片に切り、重量を量りました。各シアノバクテリア株の 2 つの最も効果的なバイオコーティング 600 μl を各ヘチマ片の端に塗布し、約 1 × 1 × 3 cm を覆い、暗所で 20°C で 24 時間乾燥させます。ヘチマのマクロ多孔質構造により、フォーミュラの一部が無駄になり、セルローディング効率が 100% になりませんでした。この問題を克服するために、ヘチマ上の乾燥製剤の重量を測定し、参照乾燥製剤に対して正規化しました。ヘチマ、ラテックス、滅菌栄養培地からなる非生物対照も同様の方法で調製しました。
ハーフバッチ CO2 吸収試験を実行するには、バイオ複合材料 (n = 3) を 50 ml ガラス管に入れ、バイオ複合材料 (バイオコーティングなし) の一端が 5 ml の増殖培地と接触し、栄養素が浸透できるようにします。毛細管現象によって運ばれます。。ボトルは直径 20 mm のブチルゴムコルクで密封され、銀色のアルミニウムキャップで圧着されています。密閉したら、気密シリンジに取り付けられた滅菌針を使用して 5% CO2/空気 45 ml を注入します。対照懸濁液の細胞密度 (n = 3) は、栄養培地中のバイオ複合材料の細胞負荷と同等でした。試験は、18 ± 2 °C、16:8 の光周期および 30.5 μmol m-2 s-1 の光周期で実施されました。気密シリンジを使用して 2 日ごとにヘッドスペースを除去し、赤外線吸収機能を備えた CO2 メーター GEOTech G100 で分析して、吸収された CO2 の割合を測定しました。同量の CO2 ガス混合物を加えます。
% CO2 Fix は次のように計算されます: % CO2 Fix = 5% (v/v) – %CO2 (式 2) を書き込みます。ここで、P = 圧力、V = 体積、T = 温度、R = 理想気体定数です。
シアノバクテリアおよびバイオ複合材料の対照懸濁液について報告された CO2 取り込み速度は、非生物学的対照に対して正規化されました。g バイオマスの機能単位は、手ぬぐい上に固定化された乾燥バイオマスの量です。これは、細胞固定の前後でヘチマサンプルの重量を測定することによって決定されます。乾燥前後の調製物の重量を個別に測定し、細胞調製物の密度を計算することにより、細胞負荷質量 (バイオマス相当) を計算します (式 3)。細胞調製物は固定中に均一であると想定されます。
Minitab 18 および RealStatistics アドインを備えた Microsoft Excel を統計分析に使用しました。正規性は Anderson-Darling 検定を使用して検定され、分散の等価性は Levene 検定を使用して検定されました。これらの仮定を満たすデータは、事後分析として Tukey の検定を使用した二元配置分散分析 (ANOVA) を使用して分析されました。正規性と等分散の仮定を満たさない二元配置データは、Shirer-Ray-Hara 検定を使用して分析され、次に Mann-Whitney U 検定を使用して、治療間の有意性を判定しました。一般化線形混合 (GLM) モデルは 3 つの因子を持つ非正規データに使用され、データはジョンソン変換 63 を使用して変換されました。ピアソン製品のモーメント相関を実行して、テキサノール濃度、ガラス転移温度、ラテックス毒性および接着データの間の関係を評価しました。
投稿時刻: 2023 年 1 月 5 日