คอมโพสิตชีวภาพสังเคราะห์แสงที่ใช้งานได้รับการพัฒนาเพื่อปรับปรุงการกักเก็บคาร์บอนทางชีวภาพ

ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง
การดักจับและกักเก็บคาร์บอนถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้บรรลุเป้าหมายของข้อตกลงปารีสการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นเทคโนโลยีธรรมชาติในการดักจับคาร์บอนด้วยแรงบันดาลใจจากไลเคน เราได้พัฒนาคอมโพสิทชีวภาพสังเคราะห์แสงไซยาโนแบคทีเรียสามมิติ (เช่น เลียนแบบไลเคน) โดยใช้โพลีเมอร์อะคริลิกลาเท็กซ์กับฟองน้ำรังบวบอัตราการดูดซึม CO2 โดยคอมโพสิตชีวภาพคือ 1.57 ± 0.08 กรัม CO2 g-1 ของชีวมวล d-1อัตราการดูดซึมจะขึ้นอยู่กับชีวมวลแห้งที่จุดเริ่มต้นของการทดลอง และรวมถึง CO2 ที่ใช้ในการขยายชีวมวลใหม่ เช่นเดียวกับ CO2 ที่มีอยู่ในสารประกอบกักเก็บ เช่น คาร์โบไฮเดรตอัตราการดูดซึมเหล่านี้สูงกว่ามาตรการควบคุมสารละลาย 14-20 เท่า และอาจขยายขนาดเพื่อดักจับมวลชีวภาพ 570 ตันคาร์บอนไดออกไซด์ t-1 ต่อปี-1 เทียบเท่ากับการใช้ที่ดิน 5.5-8.17 × 106 เฮกตาร์ โดยกำจัด 8-12 GtCO2 คาร์บอนไดออกไซด์ต่อปีในทางตรงกันข้าม พลังงานชีวภาพจากป่าไม้ที่มีการดักจับและกักเก็บคาร์บอนอยู่ที่ 0.4–1.2 × 109 เฮกตาร์คอมโพสิตชีวภาพยังคงทำงานได้เป็นเวลา 12 สัปดาห์โดยไม่มีสารอาหารหรือน้ำเพิ่มเติม หลังจากนั้นการทดลองก็สิ้นสุดลงด้วยจุดยืนทางเทคโนโลยีที่หลากหลายของมนุษยชาติในการต่อสู้กับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ คอมโพสิตชีวภาพไซยาโนแบคทีเรียที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมและเพิ่มประสิทธิภาพมีศักยภาพในการใช้งานที่ยั่งยืนและปรับขนาดได้ เพื่อเพิ่มการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในขณะเดียวกันก็ลดการสูญเสียน้ำ สารอาหาร และการใช้ที่ดิน
การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเป็นภัยคุกคามที่แท้จริงต่อความหลากหลายทางชีวภาพทั่วโลก เสถียรภาพของระบบนิเวศ และผู้คนเพื่อบรรเทาผลกระทบที่เลวร้ายที่สุด จำเป็นต้องมีโครงการแยกคาร์บอนขนาดใหญ่ที่มีการประสานงาน และแน่นอนว่า จำเป็นต้องมีรูปแบบการกำจัดก๊าซเรือนกระจกโดยตรงจากชั้นบรรยากาศบางรูปแบบแม้ว่าการผลิตไฟฟ้าจะมีการลดคาร์บอนเป็นเชิงบวก2,3 แต่ในปัจจุบันยังไม่มีวิธีแก้ปัญหาทางเทคโนโลยีที่ยั่งยืนเชิงเศรษฐกิจในการลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ (CO2)4 แม้ว่าการดักจับก๊าซไอเสียจะดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง5แทนที่จะใช้โซลูชันทางวิศวกรรมที่ปรับขนาดได้และใช้งานได้จริง ผู้คนควรหันไปหาวิศวกรธรรมชาติในการดักจับคาร์บอน ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสง (สิ่งมีชีวิตที่ผ่านแสง)การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นเทคโนโลยีการกักเก็บคาร์บอนในธรรมชาติ แต่ความสามารถของมันในการย้อนกลับการเสริมคาร์บอนโดยมนุษย์ในช่วงเวลาที่สำคัญนั้นยังเป็นที่น่าสงสัย เอนไซม์ไม่มีประสิทธิภาพ และความสามารถในการปรับใช้ในระดับที่เหมาะสมยังเป็นที่น่าสงสัยแนวทางที่เป็นไปได้สำหรับการเจริญเติบโตของแสงคือการปลูกป่า ซึ่งตัดต้นไม้เพื่อใช้เป็นพลังงานชีวภาพด้วยการดักจับและกักเก็บคาร์บอน (BECCS) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีปล่อยก๊าซเชิงลบที่สามารถช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สุทธิได้อย่างไรก็ตาม เพื่อให้บรรลุเป้าหมายข้อตกลงปารีสอุณหภูมิ 1.5°C โดยใช้ BECCS เป็นวิธีการหลักจะต้องใช้พื้นที่ 0.4 ถึง 1.2 × 109 เฮกตาร์ ซึ่งเทียบเท่ากับ 25–75% ของพื้นที่เพาะปลูกทั่วโลกในปัจจุบัน6นอกจากนี้ ความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับผลกระทบทั่วโลกของการปฏิสนธิคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้เกิดคำถามถึงประสิทธิภาพโดยรวมของการปลูกป่า7หากเราต้องการบรรลุเป้าหมายอุณหภูมิที่กำหนดในข้อตกลงปารีส จะต้องกำจัดก๊าซเรือนกระจก (GGR) 100 วินาทีของ GtCO2 ออกจากชั้นบรรยากาศในแต่ละปีเมื่อเร็วๆ นี้ กรมวิจัยและนวัตกรรมของสหราชอาณาจักรได้ประกาศให้ทุนสำหรับโครงการ GGR8 ห้าโครงการ รวมถึงการจัดการพื้นที่พรุ การปรับปรุงสภาพดินฟ้าอากาศของหิน การปลูกต้นไม้ ถ่านชีวภาพ และพืชยืนต้นเพื่อเป็นอาหารแก่กระบวนการ BECCSค่าใช้จ่ายในการกำจัดมากกว่า 130 MtCO2 ออกจากบรรยากาศต่อปีคือ 10-100 US$/tCO2, 0.2-8.1 MtCO2 ต่อปีสำหรับการฟื้นฟูพื้นที่ป่าพรุ, 52-480 US$/tCO2 และ 12-27 MtCO2 ต่อปีสำหรับสภาพดินฟ้าอากาศของหิน , 0.4-30 USD/ปีtCO2, 3.6 MtCO2/ปี, พื้นที่ป่าเพิ่มขึ้น 1%, 0.4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/ปี, ถ่านชีวภาพ, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 ต่อปีสำหรับพืชผลถาวรที่ใช้ บีอีซีซีเอส9.
การผสมผสานระหว่างแนวทางเหล่านี้อาจบรรลุเป้าหมาย 130 Mt CO2 ต่อปี แต่ต้นทุนในการผุกร่อนของหินและ BECCS นั้นสูง และถ่านไบโอชาร์ แม้ว่าจะค่อนข้างถูกและไม่เกี่ยวข้องกับการใช้ที่ดิน แต่ก็ต้องใช้วัตถุดิบสำหรับกระบวนการผลิตถ่านไบโอชาร์เสนอการพัฒนาและหมายเลขนี้เพื่อปรับใช้เทคโนโลยี GGR อื่นๆ
แทนที่จะมองหาวิธีแก้ปัญหาบนบก ให้มองหาน้ำ โดยเฉพาะโฟโตโทรฟเซลล์เดียว เช่น สาหร่ายขนาดเล็กและไซยาโนแบคทีเรีย10สาหร่าย (รวมถึงไซยาโนแบคทีเรีย) จับคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 50% ของโลก แม้ว่าจะมีสัดส่วนเพียง 1% ของมวลชีวภาพของโลก11ไซยาโนแบคทีเรียเป็นวิศวกรชีวภาพดั้งเดิมของธรรมชาติ ซึ่งวางรากฐานสำหรับการเผาผลาญทางเดินหายใจและวิวัฒนาการของชีวิตหลายเซลล์ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจน12แนวคิดในการใช้ไซยาโนแบคทีเรียเพื่อดักจับคาร์บอนไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่วิธีการจัดวางทางกายภาพที่เป็นนวัตกรรมใหม่เปิดโลกทัศน์ใหม่สำหรับสิ่งมีชีวิตโบราณเหล่านี้
บ่อเปิดและถังปฏิกรณ์ชีวภาพเป็นทรัพย์สินเริ่มต้นเมื่อใช้สาหร่ายขนาดเล็กและไซยาโนแบคทีเรียเพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมระบบการเพาะเลี้ยงเหล่านี้ใช้การเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอยซึ่งเซลล์ลอยอย่างอิสระในตัวกลางการเจริญเติบโตอย่างไรก็ตาม บ่อน้ำและถังปฏิกรณ์ชีวภาพมีข้อเสียหลายประการ เช่น การถ่ายเทมวล CO2 ที่ไม่ดี การใช้ที่ดินและน้ำอย่างเข้มข้น ความไวต่อการปนเปื้อนทางชีวภาพ และต้นทุนการก่อสร้างและการดำเนินงานที่สูง15,16เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบฟิล์มชีวะที่ไม่ใช้การเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอยจะประหยัดกว่าในแง่ของน้ำและพื้นที่ แต่มีความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหายจากการผึ่งให้แห้ง มีแนวโน้มที่จะหลุดออกจากฟิล์มชีวะ (และด้วยเหตุนี้จึงสูญเสียมวลชีวมวลที่ใช้งานอยู่) และมีแนวโน้มที่จะเกิดคราบทางชีวภาพพอๆ กัน
จำเป็นต้องมีแนวทางใหม่เพื่อเพิ่มอัตราการดูดซับ CO2 และแก้ไขปัญหาที่จำกัดเครื่องปฏิกรณ์ของสารละลายและฟิล์มชีวะวิธีการหนึ่งดังกล่าวคือคอมโพสิตชีวภาพสังเคราะห์แสงที่ได้รับแรงบันดาลใจจากไลเคนไลเคนเป็นกลุ่มของเชื้อราและโฟโตไบโอออน (สาหร่ายขนาดเล็กและ/หรือไซยาโนแบคทีเรีย) ซึ่งครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 12% ของพื้นที่โลก18เชื้อราให้การสนับสนุนทางกายภาพ การป้องกัน และการยึดเกาะของสารตั้งต้นโฟโตไบโอติก ซึ่งจะทำให้เชื้อราได้รับคาร์บอน (เป็นผลิตภัณฑ์สังเคราะห์แสงส่วนเกิน)คอมโพสิตชีวภาพที่นำเสนอนั้นเป็น "การเลียนแบบไลเคน" ซึ่งไซยาโนแบคทีเรียที่มีความเข้มข้นจำนวนมากจะถูกตรึงไว้ในรูปแบบของการเคลือบชีวภาพบางๆ บนสารตั้งต้นที่เป็นพาหะนอกจากเซลล์แล้ว สารเคลือบชีวภาพยังมีเมทริกซ์โพลีเมอร์ที่สามารถทดแทนเชื้อราได้ควรใช้โพลีเมอร์อิมัลชันสูตรน้ำหรือ "ลาเท็กซ์" เนื่องจากเข้ากันได้ทางชีวภาพ ทนทาน ราคาไม่แพง ง่ายต่อการจัดการ และมีจำหน่ายในท้องตลาด19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26
การตรึงเซลล์ด้วยโพลีเมอร์ลาเท็กซ์ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากองค์ประกอบของลาเท็กซ์และกระบวนการสร้างฟิล์มโพลีเมอไรเซชันแบบอิมัลชันเป็นกระบวนการที่ต่างกันที่ใช้ในการผลิตยางสังเคราะห์ สารเคลือบกาว สารเคลือบหลุมร่องฟัน สารเติมแต่งคอนกรีต กระดาษและสิ่งทอ และสีน้ำลาเท็กซ์27มีข้อได้เปรียบเหนือวิธีโพลีเมอไรเซชันอื่นๆ หลายประการ เช่น อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงและประสิทธิภาพการแปลงโมโนเมอร์ รวมถึงควบคุมผลิตภัณฑ์ได้ง่าย27,28การเลือกใช้โมโนเมอร์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่ต้องการของฟิล์มโพลีเมอร์ที่ได้ และสำหรับระบบโมโนเมอร์แบบผสม (เช่น โคโพลีเมอไรเซชัน) คุณสมบัติของโพลีเมอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเลือกอัตราส่วนที่แตกต่างกันของโมโนเมอร์ที่สร้างวัสดุโพลีเมอร์ที่ได้บิวทิลอะคริเลตและสไตรีนเป็นโมโนเมอร์อะคริลิกลาเท็กซ์ที่พบมากที่สุดและมีการใช้ที่นี่นอกจากนี้ สารรวมตัว (เช่น Texanol) มักใช้เพื่อส่งเสริมการสร้างชั้นฟิล์มที่สม่ำเสมอ โดยที่สารดังกล่าวสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของพอลิเมอร์ลาเท็กซ์เพื่อสร้างการเคลือบที่แข็งแกร่งและ "ต่อเนื่อง" (การรวมตัวกัน)ในการศึกษาพิสูจน์แนวคิดเบื้องต้นของเรา ได้มีการประดิษฐ์คอมโพสิตชีวภาพ 3 มิติที่มีพื้นที่ผิวสูงและมีรูพรุนสูงโดยใช้สีน้ำลาเท็กซ์เชิงพาณิชย์ที่ใช้กับฟองน้ำใยบวบหลังจากการปรับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน (แปดสัปดาห์) คอมโพสิตชีวภาพแสดงความสามารถที่จำกัดในการกักเก็บไซยาโนแบคทีเรียบนโครงใยบวบ เนื่องจากการเติบโตของเซลล์ทำให้ความสมบูรณ์ของโครงสร้างของน้ำยางอ่อนลงในการศึกษาปัจจุบัน เรามุ่งเป้าที่จะพัฒนาชุดโพลีเมอร์อะคริลิกลาเท็กซ์ที่มีเคมีที่รู้จักกันดีสำหรับใช้อย่างต่อเนื่องในการดักจับคาร์บอนโดยไม่ทำให้การย่อยสลายโพลีเมอร์ลดลงในการทำเช่นนั้น เราได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการสร้างองค์ประกอบเมทริกซ์โพลีเมอร์ที่มีลักษณะคล้ายไลเคน ซึ่งให้ประสิทธิภาพทางชีวภาพที่ดีขึ้น และเพิ่มความยืดหยุ่นเชิงกลอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเปรียบเทียบกับคอมโพสิตชีวภาพที่ได้รับการพิสูจน์แล้วการเพิ่มประสิทธิภาพเพิ่มเติมจะช่วยเร่งการดูดซึมคอมโพสิตชีวภาพสำหรับการดักจับคาร์บอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรวมกับไซยาโนแบคทีเรียที่ถูกดัดแปลงทางเมตาบอลิซึมเพื่อเพิ่มการกักเก็บ CO2
น้ำยางเก้าชนิดที่มีสูตรโพลีเมอร์สามสูตร (H = “แข็ง”, N = “ปกติ”, S = “อ่อน”) และ Texanol สามประเภท (0, 4, 12% โดยปริมาตร/ปริมาตร) ได้รับการทดสอบเพื่อหาความเป็นพิษและความสัมพันธ์ของความเครียดกาวจากไซยาโนแบคทีเรียสองตัวประเภทของน้ำยางมีอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญต่อ S. elongatus PCC 7942 (การทดสอบ Shirer-Ray-Hare, น้ำยาง: DF=2, H=23.157, P=<0.001) และ CCAP 1479/1A (การวิเคราะห์ความแปรปรวนแบบสองทาง, น้ำยาง: DF=2, F = 103.93, P = < 0.001) (รูปที่ 1a)ความเข้มข้นของ texanol ไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเจริญเติบโตของ S. elongatus PCC 7942 มีเพียง N-latex เท่านั้นที่ไม่เป็นพิษ (รูปที่ 1a) และ 0 N และ 4 N รักษาการเติบโตไว้ที่ 26% และ 35% ตามลำดับ (Mann- Whitney U, 0 N กับ 4 N: W = 13.50, P = 0.245; 0 N เทียบกับกลุ่มควบคุม: W = 25.0, P = 0.061; 4 N เทียบกับกลุ่มควบคุม: W = 25.0, P = 0.061) และ 12 N รักษาการเติบโตที่เทียบเคียงได้ สำหรับการควบคุมทางชีวภาพ (มหาวิทยาลัย Mann-Whitney, 12 N เทียบกับการควบคุม: W = 17.0, P = 0.885)สำหรับ S. elongatus CCAP 1479/1A ทั้งส่วนผสมของน้ำยางและความเข้มข้นของเทกซานอลเป็นปัจจัยสำคัญ และพบปฏิสัมพันธ์ที่มีนัยสำคัญระหว่างทั้งสอง (การวิเคราะห์ความแปรปรวนแบบสองทาง, น้ำยาง: DF=2, F=103.93, P=<0.001, Texanol : DF=2, F=5.96, P=0.01, ลาเท็กซ์*เทกซานอล: DF=4, F=3.41, P=0.03)0 N และน้ำยาง “อ่อน” ทั้งหมดส่งเสริมการเจริญเติบโต (รูปที่ 1a)มีแนวโน้มที่จะปรับปรุงการเจริญเติบโตโดยลดองค์ประกอบของสไตรีน
การทดสอบความเป็นพิษและการยึดเกาะของไซยาโนแบคทีเรีย (Synechococcus elongatus PCC 7942 และ CCAP 1479/1A) ต่อสูตรผสมน้ำยาง ความสัมพันธ์กับอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) และเมทริกซ์การตัดสินใจโดยอิงจากข้อมูลความเป็นพิษและการยึดเกาะ( a ) การทดสอบความเป็นพิษดำเนินการโดยใช้แปลงเปอร์เซ็นต์การเติบโตของไซยาโนแบคทีเรียที่ถูกทำให้เป็นมาตรฐานเพื่อควบคุมการเพาะเลี้ยงสารแขวนลอยการรักษาที่มีเครื่องหมาย * แตกต่างอย่างมากจากการควบคุม(b) ข้อมูลการเจริญเติบโตของไซยาโนแบคทีเรียเทียบกับน้ำยาง Tg (ค่าเฉลี่ย ± SD; n = 3)(c) จำนวนไซยาโนแบคทีเรียสะสมที่ปล่อยออกมาจากการทดสอบการยึดเกาะของคอมโพสิตชีวภาพ(d) ข้อมูลการยึดเกาะเทียบกับ Tg ของน้ำยาง (ค่าเฉลี่ย ± StDev; n = 3)e เมทริกซ์การตัดสินใจขึ้นอยู่กับข้อมูลความเป็นพิษและการยึดเกาะอัตราส่วนของสไตรีนต่อบิวทิลอะคริเลตคือ 1:3 สำหรับน้ำยาง "แข็ง" (H), 1:1 สำหรับน้ำยาง "ปกติ" (N) และ 3:1 สำหรับน้ำยาง "อ่อน" (S)ตัวเลขก่อนหน้าในรหัสลาเท็กซ์ตรงกับเนื้อหาของ Texanol
ในกรณีส่วนใหญ่ ความมีชีวิตของเซลล์ลดลงเมื่อความเข้มข้นของเทกซานอลเพิ่มขึ้น แต่ไม่มีความสัมพันธ์ที่มีนัยสำคัญสำหรับสายพันธุ์ใดๆ (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0.208, P = 0.299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0.127, P = 0.527)บนรูป1b แสดงความสัมพันธ์ระหว่างการเติบโตของเซลล์และอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg)มีความสัมพันธ์เชิงลบอย่างมากระหว่างความเข้มข้นของเทกซานอลและค่า Tg ​​(H-latex: DF=7, r=-0.989, P=<0.001; N-latex: DF=7, r=-0.964, P=<0.001 ; S- ลาเท็กซ์: DF=7, r=-0.946, P=<0.001)ข้อมูลแสดงให้เห็นว่า Tg ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตของ S. elongatus PCC 7942 อยู่ที่ประมาณ 17 °C (รูปที่ 1b) ในขณะที่ S. elongatus CCAP 1479/1A ชอบ Tg ที่ต่ำกว่า 0 °C (รูปที่ 1b)มีเพียง S. elongatus CCAP 1479/1A เท่านั้นที่มีความสัมพันธ์เชิงลบอย่างมากระหว่าง Tg และข้อมูลความเป็นพิษ (DF=25, r=-0.857, P=<0.001)
น้ำยางทั้งหมดมีความสัมพันธ์ในการยึดเกาะที่ดี และไม่มีสิ่งใดปล่อยเซลล์ออกมาเกิน 1% หลังจากผ่านไป 72 ชั่วโมง (รูปที่ 1c)ไม่มีความแตกต่างที่มีนัยสำคัญระหว่างน้ำยางของ S. elongatus สองสายพันธุ์ (PCC 7942: การทดสอบ Scheirer-Ray-Hara, Latex*Texanol, DF=4, H=0.903; P=0.924; CCAP 1479/1A: Scheirer- การทดสอบเรย์)– การทดสอบกระต่าย, ลาเท็กซ์*เทกซานอล, DF=4, H=3.277, P=0.513)เมื่อความเข้มข้นของ Texanol เพิ่มขึ้น เซลล์จะถูกปล่อยออกมามากขึ้น (รูปที่ 1c)เปรียบเทียบกับ S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0.660, P=<0.001) (รูปที่ 1d)นอกจากนี้ ไม่มีความสัมพันธ์ทางสถิติระหว่าง Tg และการยึดเกาะของเซลล์ของทั้งสองสายพันธุ์ (PCC 7942: DF=25, r=0.301, P=0.127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0.287, P=0.147)
สำหรับทั้งสองสายพันธุ์ โพลีเมอร์ลาเท็กซ์ "แข็ง" ไม่ได้ผลในทางตรงกันข้าม 4N และ 12N ทำงานได้ดีที่สุดกับ S. elongatus PCC 7942 ในขณะที่ 4S และ 12S ทำงานได้ดีที่สุดกับ CCAP 1479/1A (รูปที่ 1e) แม้ว่าจะมีพื้นที่อย่างชัดเจนสำหรับการปรับเมทริกซ์โพลีเมอร์ให้เหมาะสมเพิ่มเติมเพิ่มเติมโพลีเมอร์เหล่านี้ถูกนำมาใช้ในการทดสอบการดูดซึม CO2 สุทธิแบบกึ่งชุด
สรีรวิทยาแสงถูกติดตามเป็นเวลา 7 วันโดยใช้เซลล์ที่แขวนลอยอยู่ในองค์ประกอบของน้ำยางโดยทั่วไป ทั้งอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงปรากฏ (PS) และผลผลิตควอนตัม PSII สูงสุด (Fv/Fm) จะลดลงตามเวลา แต่การลดลงนี้ไม่สม่ำเสมอ และชุดข้อมูล PS บางชุดแสดงการตอบสนองแบบสองเฟส ซึ่งแนะนำการตอบสนองบางส่วน แม้ว่าการกู้คืนแบบเรียลไทม์ กิจกรรม PS ที่สั้นลง (รูปที่ 2a และ 3b)การตอบสนอง Fv/Fm แบบไบเฟสิกเด่นชัดน้อยลง (รูปที่ 2b และ 3b)
(a) อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ชัดเจน (PS) และ (b) ผลผลิตควอนตัม PSII สูงสุด (Fv/Fm) ของ Synechococcus elongatus PCC 7942 เพื่อตอบสนองต่อสูตรน้ำยางเมื่อเปรียบเทียบกับการควบคุมการเพาะเลี้ยงสารแขวนลอยอัตราส่วนของสไตรีนต่อบิวทิลอะคริเลตคือ 1:3 สำหรับน้ำยาง "แข็ง" (H), 1:1 สำหรับน้ำยาง "ปกติ" (N) และ 3:1 สำหรับน้ำยาง "อ่อน" (S)ตัวเลขก่อนหน้าในรหัสลาเท็กซ์ตรงกับเนื้อหาของ Texanol(ค่าเฉลี่ย ± ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน; n = 3)
(a) อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ชัดเจน (PS) และ (b) ผลผลิตควอนตัม PSII สูงสุด (Fv/Fm) ของ Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A เพื่อตอบสนองต่อสูตรน้ำยางเมื่อเปรียบเทียบกับการควบคุมการเพาะเลี้ยงสารแขวนลอยอัตราส่วนของสไตรีนต่อบิวทิลอะคริเลตคือ 1:3 สำหรับน้ำยาง "แข็ง" (H), 1:1 สำหรับน้ำยาง "ปกติ" (N) และ 3:1 สำหรับน้ำยาง "อ่อน" (S)ตัวเลขก่อนหน้าในรหัสลาเท็กซ์ตรงกับเนื้อหาของ Texanol(ค่าเฉลี่ย ± ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน; n = 3)
สำหรับ S. elongatus PCC 7942 องค์ประกอบของน้ำยางและความเข้มข้นของ Texanol ไม่ส่งผลต่อ PS เมื่อเวลาผ่านไป (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1.49, P = 0.07) แม้ว่าองค์ประกอบจะเป็นปัจจัยสำคัญ (GLM), ลาเท็กซ์*เวลา, DF = 14, F = 3.14, P = <0.001) (รูปที่ 2a)ไม่มีผลกระทบที่มีนัยสำคัญต่อความเข้มข้นของ Texanol เมื่อเวลาผ่านไป (GLM, Texanol*time, DF=14, F=1.63, P=0.078)มีปฏิสัมพันธ์ที่มีนัยสำคัญซึ่งส่งผลต่อ Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4.54, P=<0.001)ปฏิกิริยาระหว่างสูตรน้ำยางกับความเข้มข้นของ Texanol มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อ Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180.42, P=<0.001)พารามิเตอร์แต่ละตัวยังส่งผลต่อ Fv/Fm เมื่อเวลาผ่านไป (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9.91, P=<0.001 และ Texanol*Time, DF=14, F=10.71, P=< 0.001)Latex 12H รักษาค่า PS และ Fv/Fm เฉลี่ยต่ำสุด (รูปที่ 2b) ซึ่งบ่งชี้ว่าโพลีเมอร์นี้เป็นพิษมากกว่า
PS ของ S. elongatus CCAP 1479/1A แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ (GLM, น้ำยาง * Texanol * เวลา, DF = 28, F = 2.75, P = <0.001) โดยมีองค์ประกอบของน้ำยางมากกว่าความเข้มข้นของ Texanol (GLM, น้ำยาง*เวลา, DF =14, F=6.38, P=<0.001, GLM, เท็กซานอล*เวลา, DF=14, F=1.26, P=0.239)โพลีเมอร์ "อ่อน" 0S และ 4S รักษาระดับประสิทธิภาพของ PS สูงกว่าระบบกันสะเทือนควบคุมเล็กน้อย (Mann-Whitney U, 0S เทียบกับกลุ่มควบคุม, W = 686.0, P = 0.044, 4S เทียบกับกลุ่มควบคุม, W = 713, P = 0.01) และคงไว้ซึ่ง ปรับปรุง Fv./Fm (รูปที่ 3a) แสดงการขนส่งไปยัง Photosystem II ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับค่า Fv/Fm ของเซลล์ CCAP 1479/1A มีความแตกต่างของยางธรรมชาติอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเวลาผ่านไป (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6.00, P=<0.001) (รูปที่ 3b)).
บนรูป4 แสดง PS และ Fv/Fm เฉลี่ยตลอดช่วง 7 วันตามฟังก์ชันการเจริญเติบโตของเซลล์สำหรับแต่ละสายพันธุ์S. elongatus PCC 7942 ไม่มีรูปแบบที่ชัดเจน (รูปที่ 4a และ b) อย่างไรก็ตาม CCAP 1479/1A แสดงความสัมพันธ์พาราโบลาระหว่างค่า PS (รูปที่ 4c) และ Fv/Fm (รูปที่ 4d) เป็น อัตราส่วนของสไตรีนและบิวทิลอะคริเลตจะเพิ่มขึ้นตามการเปลี่ยนแปลง
ความสัมพันธ์ระหว่างการเจริญเติบโตและสรีรวิทยาแสงของ Synechococcus longum ต่อการเตรียมน้ำยาง(a) ข้อมูลความเป็นพิษที่พล็อตเทียบกับอัตราการสังเคราะห์แสงที่ชัดเจน (PS), (b) ผลผลิตควอนตัม PSII สูงสุด (Fv/Fm) ของ PCC 7942 c ข้อมูลความเป็นพิษที่พล็อตกับ PS และ d Fv/Fm CCAP 1479/1Aอัตราส่วนของสไตรีนต่อบิวทิลอะคริเลตคือ 1:3 สำหรับน้ำยาง "แข็ง" (H), 1:1 สำหรับน้ำยาง "ปกติ" (N) และ 3:1 สำหรับน้ำยาง "อ่อน" (S)ตัวเลขก่อนหน้าในรหัสลาเท็กซ์ตรงกับเนื้อหาของ Texanol(ค่าเฉลี่ย ± ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน; n = 3)
คอมโพสิตชีวภาพ PCC 7942 มีผลจำกัดต่อการเก็บรักษาเซลล์โดยมีการชะล้างเซลล์อย่างมีนัยสำคัญในช่วงสี่สัปดาห์แรก (รูปที่ 5)หลังจากช่วงเริ่มต้นของการดูดซึม CO2 เซลล์ที่ถูกตรึงด้วยยาง 12 N ก็เริ่มปล่อย CO2 และรูปแบบนี้คงอยู่ระหว่างวันที่ 4 ถึง 14 (รูปที่ 5b)ข้อมูลเหล่านี้สอดคล้องกับการสังเกตการเปลี่ยนสีของเม็ดสีการดูดซึม CO2 สุทธิเริ่มต้นอีกครั้งตั้งแต่วันที่ 18 แม้จะมีการปล่อยเซลล์ (รูปที่ 5a) แต่คอมโพสิตชีวภาพ PCC 7942 12 N ยังคงสะสม CO2 มากกว่าการระงับการควบคุมในช่วง 28 วัน แม้ว่าจะเล็กน้อย (Mann-Whitney U-test, W = 2275.5; พ = 0.066)อัตราการดูดซึม CO2 โดยน้ำยาง 12 N และ 4 N เท่ากับ 0.51 ± 0.34 และ 1.18 ± 0.29 g CO2 g-1 ของชีวมวล d-1มีความแตกต่างที่มีนัยสำคัญทางสถิติระหว่างระดับการรักษาและระยะเวลา (การทดสอบประธาน-เรย์-แฮร์, การรักษา: DF=2, H=70.62, P=<0.001 เวลา: DF=13, H=23.63, P=0.034) แต่ ไม่ใช่มีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญระหว่างการรักษาและเวลา (การทดสอบประธาน-เรย์-ฮาร์ เวลา*การรักษา: DF=26, H=8.70, P=0.999)
การทดสอบการดูดซึม CO2 แบบครึ่งชุดกับคอมโพสิตชีวภาพ Synechococcus elongatus PCC 7942 โดยใช้ลาเท็กซ์ 4N และ 12N(a) รูปภาพแสดงการปลดปล่อยเซลล์และการเปลี่ยนสีของเม็ดสี รวมถึงรูปภาพ SEM ของคอมโพสิตชีวภาพก่อนและหลังการทดสอบเส้นประสีขาวแสดงถึงบริเวณที่มีการสะสมของเซลล์บนคอมโพสิตชีวภาพ(b) การดูดซับ CO2 สุทธิสะสมในช่วงสี่สัปดาห์น้ำยาง “ปกติ” (N) มีอัตราส่วนสไตรีนต่อบิวทิลอะคริเลตที่ 1:1ตัวเลขก่อนหน้าในรหัสลาเท็กซ์ตรงกับเนื้อหาของ Texanol(ค่าเฉลี่ย ± ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน; n = 3)
การกักเก็บเซลล์ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญสำหรับสายพันธุ์ CCAP 1479/1A ด้วย 4S และ 12S แม้ว่าเม็ดสีจะเปลี่ยนสีอย่างช้าๆ เมื่อเวลาผ่านไป (รูปที่ 6a)คอมโพสิตชีวภาพ CCAP 1479/1A ดูดซับ CO2 เป็นเวลา 84 วันเต็ม (12 สัปดาห์) โดยไม่ต้องใช้อาหารเสริมเพิ่มเติมการวิเคราะห์ SEM (รูปที่ 6a) ยืนยันการสังเกตด้วยสายตาของการปลดเซลล์ขนาดเล็กในตอนแรก เซลล์ถูกห่อหุ้มด้วยสารเคลือบลาเท็กซ์ซึ่งคงความสมบูรณ์ของมันไว้แม้ว่าเซลล์จะเติบโตก็ตามอัตราการดูดซึม CO2 สูงกว่ากลุ่มควบคุมอย่างมีนัยสำคัญ (การทดสอบ Scheirer-Ray-Har, การรักษา: DF=2; H=240.59; P=<0.001, เวลา: DF=42; H=112; P=<0.001 ) ( รูปที่ 6b)คอมโพสิตชีวภาพ 12S มีการดูดซึม CO2 สูงสุด (1.57 ± 0.08 g CO2 g-1 ชีวมวลต่อวัน) ในขณะที่น้ำยาง 4S อยู่ที่ 1.13 ± 0.41 g CO2 g-1 ชีวมวลต่อวัน แต่ก็ไม่ได้แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ (Mann-Whitney U . การทดสอบ W = 1507.50; P = 0.07) และไม่มีปฏิสัมพันธ์ที่มีนัยสำคัญระหว่างการรักษาและเวลา (การทดสอบ Shirer-Rey-Hara เวลา * การรักษา: DF = 82; H = 10 .37; P = 1.000)
การทดสอบการดูดซึม CO2 ครึ่งล็อตโดยใช้คอมโพสิตชีวภาพ Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A ที่มีน้ำยาง 4N และ 12N(a) รูปภาพแสดงการปลดปล่อยเซลล์และการเปลี่ยนสีของเม็ดสี รวมถึงรูปภาพ SEM ของคอมโพสิตชีวภาพก่อนและหลังการทดสอบเส้นประสีขาวแสดงถึงบริเวณที่มีการสะสมของเซลล์บนคอมโพสิตชีวภาพ(b) การดูดซับ CO2 สุทธิสะสมตลอดระยะเวลาสิบสองสัปดาห์น้ำยาง “อ่อน” (S) มีอัตราส่วนสไตรีนต่อบิวทิลอะคริเลต 1:1ตัวเลขก่อนหน้าในรหัสลาเท็กซ์ตรงกับเนื้อหาของ Texanol(ค่าเฉลี่ย ± ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน; n = 3)
S. elongatus PCC 7942 (การทดสอบ Shirer-Ray-Har, เวลา*การรักษา: DF=4, H=3.243, P=0.518) หรือคอมโพสิตชีวภาพ S. elongatus CCAP 1479/1A (two-ANOVA, เวลา*การรักษา: DF=8 , F = 1.79, P = 0.119) (รูปที่ S4)คอมโพสิตชีวภาพ PCC 7942 มีปริมาณคาร์โบไฮเดรตสูงสุดในสัปดาห์ที่ 2 (4 N = 59.4 ± 22.5 wt%, 12 N = 67.9 ± 3.3 wt%) ในขณะที่สารแขวนลอยแบบควบคุมมีปริมาณคาร์โบไฮเดรตสูงสุดในสัปดาห์ที่ 4 เมื่อ (กลุ่มควบคุม = 59.6 ± 2.84% ด้วย)ปริมาณคาร์โบไฮเดรตทั้งหมดของคอมโพสิตชีวภาพ CCAP 1479/1A เทียบได้กับสารแขวนลอยควบคุม ยกเว้นในช่วงเริ่มต้นของการทดลอง โดยมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในน้ำยาง 12S ในสัปดาห์ที่ 4 ค่าสูงสุดสำหรับคอมโพสิตชีวภาพคือ 51.9 ± 9.6 wt% สำหรับ 4S และ 77.1 ± 17.0 wt% สำหรับ 12S
เรามุ่งมั่นที่จะแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการออกแบบเพื่อเพิ่มความสมบูรณ์ทางโครงสร้างของการเคลือบโพลีเมอร์ลาเท็กซ์แบบฟิล์มบาง ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของแนวคิดคอมโพสิตชีวภาพเลียนแบบไลเคน โดยไม่กระทบต่อความเข้ากันได้ทางชีวภาพหรือประสิทธิภาพอันที่จริง หากเอาชนะความท้าทายเชิงโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับการเติบโตของเซลล์ เราคาดหวังการปรับปรุงประสิทธิภาพที่สำคัญเหนือคอมโพสิตชีวภาพเชิงทดลองของเรา ซึ่งสามารถเทียบเคียงได้กับระบบดักจับคาร์บอนไซยาโนแบคทีเรียและสาหร่ายขนาดเล็กอื่น ๆ
สารเคลือบจะต้องไม่เป็นพิษ ทนทาน รองรับการยึดเกาะของเซลล์ในระยะยาว และต้องมีรูพรุนเพื่อส่งเสริมการถ่ายเทมวล CO2 และการกำจัดก๊าซ O2 อย่างมีประสิทธิภาพอะคริลิกโพลีเมอร์ชนิดลาเท็กซ์เตรียมได้ง่ายและใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมสี สิ่งทอ และกาว30เรารวมไซยาโนแบคทีเรียกับอิมัลชันโพลีเมอร์อะคริลิกลาเท็กซ์สูตรน้ำที่ถูกทำปฏิกิริยาโพลีเมอร์ด้วยอัตราส่วนเฉพาะของอนุภาคสไตรีน/บิวทิลอะคริเลตและ Texanol ที่มีความเข้มข้นต่างๆสไตรีนและบิวทิลอะคริเลตถูกเลือกเพื่อให้สามารถควบคุมคุณสมบัติทางกายภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพการรวมตัวกันของสารเคลือบ (มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเคลือบที่แข็งแกร่งและมีกาวสูง) ทำให้สามารถสังเคราะห์การรวมตัวของอนุภาค "แข็ง" และ "อ่อน" ได้ข้อมูลความเป็นพิษชี้ให้เห็นว่าน้ำยาง "แข็ง" ที่มีปริมาณสไตรีนสูงไม่เอื้อต่อการอยู่รอดของไซยาโนแบคทีเรียสไตรีนถือว่าเป็นพิษต่อสาหร่ายซึ่งแตกต่างจากบิวทิลอะคริเลตสายพันธุ์ไซยาโนแบคทีเรียมีปฏิกิริยาค่อนข้างแตกต่างกับน้ำยาง และอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) ที่เหมาะสมสำหรับ S. elongatus PCC 7942 ในขณะที่ S. elongatus CCAP 1479/1A แสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นเชิงลบกับ Tg
อุณหภูมิในการอบแห้งส่งผลต่อความสามารถในการสร้างฟิล์มน้ำยางที่สม่ำเสมอสม่ำเสมอหากอุณหภูมิในการทำให้แห้งต่ำกว่าอุณหภูมิขั้นต่ำในการขึ้นรูปฟิล์ม (MFFT) อนุภาคของน้ำยางโพลีเมอร์จะไม่รวมตัวกันอย่างสมบูรณ์ ส่งผลให้เกิดการยึดเกาะที่ส่วนต่อประสานของอนุภาคเท่านั้นฟิล์มที่ได้จะมีการยึดเกาะและความแข็งแรงเชิงกลต่ำ และอาจอยู่ในรูปแบบผงด้วยซ้ำ29MFFT มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับ Tg ซึ่งสามารถควบคุมได้โดยองค์ประกอบของโมโนเมอร์และการเติมโคเลเซนต์ เช่น TexanolTg เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพหลายประการของสารเคลือบที่เกิดขึ้น ซึ่งอาจอยู่ในสถานะเป็นยางหรือเป็นแก้ว34ตามสมการของ Flory-Fox35 Tg ขึ้นอยู่กับชนิดของโมโนเมอร์และองค์ประกอบเปอร์เซ็นต์สัมพัทธ์การเติมโคเลสเซนต์สามารถลด MFFT ลงได้โดยการปราบปราม Tg ของอนุภาคน้ำยางเป็นระยะๆ ซึ่งช่วยให้เกิดฟิล์มที่อุณหภูมิต่ำลง แต่ยังคงก่อตัวเป็นชั้นเคลือบที่แข็งและแข็งแรง เนื่องจากโคเลสเซนต์จะระเหยช้าๆ เมื่อเวลาผ่านไปหรือถูกสกัดออกมา 36
การเพิ่มความเข้มข้นของ Texanol จะช่วยส่งเสริมการก่อตัวของฟิล์มโดยทำให้อนุภาคโพลีเมอร์อ่อนตัวลง (ลด Tg) เนื่องจากการดูดซับของอนุภาคในระหว่างการทำให้แห้ง ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความแข็งแรงของฟิล์มที่ยึดเกาะและการยึดเกาะของเซลล์เนื่องจากคอมโพสิตชีวภาพถูกทำให้แห้งที่อุณหภูมิแวดล้อม (~18–20°C) ค่า Tg (30 ถึง 55°C) ของน้ำยาง “แข็ง” จึงสูงกว่าอุณหภูมิในการทำให้แห้ง ซึ่งหมายความว่าการรวมตัวกันของอนุภาคอาจไม่เหมาะสมที่สุด ส่งผลให้ ฟิล์ม B ที่ยังคงเป็นแก้วน้ำ สมบัติทางกลและกาวต่ำ ความยืดหยุ่นและการแพร่กระจายที่จำกัด30 นำไปสู่การสูญเสียเซลล์มากขึ้นในที่สุดการก่อตัวของฟิล์มจากโพลีเมอร์ "ปกติ" และ "อ่อน" เกิดขึ้นที่หรือต่ำกว่า Tg ของฟิล์มโพลีเมอร์ และการก่อตัวของฟิล์มได้รับการปรับปรุงโดยการรวมตัวกันที่ดีขึ้น ส่งผลให้ฟิล์มโพลีเมอร์ต่อเนื่องมีคุณสมบัติทางกล ความเหนียว และกาวที่ดีขึ้นฟิล์มที่ได้จะยังคงเป็นเนื้อยางในระหว่างการทดลองจับ CO2 เนื่องจาก Tg ใกล้เคียงกับส่วนผสม (“ปกติ”: 12 ถึง 20 ºC) หรือต่ำกว่ามาก (ส่วนผสม (“อ่อน”: -21 ถึง -13 °C ) ถึงอุณหภูมิแวดล้อม 30น้ำยาง “แข็ง” (3.4 ถึง 2.9 กก.f มม.–1) มีความแข็งมากกว่าน้ำยาง “ปกติ” ถึงสามเท่า (1.0 ถึง 0.9 กก.มม.–1)ความแข็งของน้ำยาง "อ่อน" ไม่สามารถวัดได้ด้วยความแข็งระดับไมโคร เนื่องจากมีความเป็นยางมากเกินไปและมีความเหนียวที่อุณหภูมิห้องประจุที่พื้นผิวอาจส่งผลต่อสัมพรรคภาพการยึดเกาะด้วย แต่จำเป็นต้องมีข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อให้ข้อมูลที่มีความหมายอย่างไรก็ตาม น้ำยางทั้งหมดสามารถกักเซลล์ไว้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยปล่อยออกมาน้อยกว่า 1%
ประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสงลดลงเมื่อเวลาผ่านไปการสัมผัสกับโพลีสไตรีนทำให้เกิดการหยุดชะงักของเมมเบรนและความเครียดจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่น 38,39,40,41ค่า Fv/Fm ของ S. elongatus CCAP 1479/1A ที่สัมผัสกับ 0S และ 4S นั้นสูงเกือบสองเท่าเมื่อเทียบกับการควบคุมระบบกันสะเทือน ซึ่งสอดคล้องกับอัตราการดูดซับ CO2 ของคอมโพสิตชีวภาพ 4S เช่นเดียวกับ ค่า PS เฉลี่ยต่ำกว่าค่านิยมค่า Fv/Fm ที่สูงขึ้นบ่งชี้ว่าการขนส่งอิเล็กตรอนไปยัง PSII อาจให้โฟตอน42 มากขึ้น ซึ่งอาจส่งผลให้อัตราการตรึง CO2 สูงขึ้นอย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าข้อมูลทางแสงสรีรวิทยาได้มาจากเซลล์ที่แขวนลอยอยู่ในสารละลายน้ำยาง และอาจไม่จำเป็นต้องเปรียบเทียบโดยตรงกับคอมโพสิตชีวภาพที่เจริญเต็มที่
หากน้ำยางสร้างอุปสรรคต่อการแลกเปลี่ยนแสงและ/หรือก๊าซ ส่งผลให้เกิดการจำกัดแสงและคาร์บอนไดออกไซด์ อาจทำให้เกิดความเครียดของเซลล์และลดประสิทธิภาพ และหากส่งผลต่อการปล่อย O2 การหายใจด้วยแสง39การประเมินการส่งผ่านแสงของสารเคลือบที่บ่มแล้ว: ลาเท็กซ์ "แข็ง" มีการส่งผ่านแสงลดลงเล็กน้อยระหว่าง 440 ถึง 480 นาโนเมตร (ได้รับการปรับปรุงบางส่วนโดยการเพิ่มความเข้มข้นของ Texanol เนื่องจากการรวมตัวกันของฟิล์มที่ดีขึ้น) ในขณะที่ "อ่อน" และ "ปกติ ” น้ำยางมีการส่งผ่านแสงลดลงเล็กน้อยไม่แสดงการสูญเสียให้เห็นชัดเจนการตรวจวิเคราะห์ตลอดจนการฟักตัวทั้งหมดดำเนินการที่ความเข้มแสงต่ำ (30.5 ไมโครโมล m-2 s-1) ดังนั้นรังสีที่ออกฤทธิ์ในการสังเคราะห์แสงใดๆ ก็ตามเนื่องจากเมทริกซ์โพลีเมอร์จะได้รับการชดเชยและอาจมีประโยชน์ในการป้องกันการยับยั้งด้วยแสงด้วยซ้ำที่สร้างความเสียหายให้กับความเข้มของแสง
คอมโพสิตชีวภาพ CCAP 1479/1A ทำงานในระหว่างการทดสอบ 84 วัน โดยไม่มีการหมุนเวียนสารอาหารหรือการสูญเสียชีวมวลอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเป็นวัตถุประสงค์หลักของการศึกษาการสลายตัวของเซลล์อาจเกี่ยวข้องกับกระบวนการของคลอรีนเพื่อตอบสนองต่อความอดอยากของไนโตรเจนเพื่อให้เกิดการอยู่รอดในระยะยาว (สภาวะพัก) ซึ่งอาจช่วยให้เซลล์กลับมาเติบโตได้อีกครั้งหลังจากการสะสมไนโตรเจนอย่างเพียงพอภาพ SEM ยืนยันว่าเซลล์ยังคงอยู่ในสารเคลือบแม้จะมีการแบ่งเซลล์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความยืดหยุ่นของน้ำยาง "อ่อน" และแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบเหนือเวอร์ชันทดลองอย่างชัดเจนน้ำยาง “อ่อน” ประกอบด้วยบิวทิลอะคริเลตประมาณ 70% (โดยน้ำหนัก) ซึ่งสูงกว่าความเข้มข้นที่ระบุไว้มากสำหรับการเคลือบแบบยืดหยุ่นหลังจากการอบแห้ง44
ปริมาณการดูดซึมสุทธิของ CO2 สูงกว่าระบบกันสะเทือนแบบควบคุมอย่างมีนัยสำคัญ (สูงกว่า 14–20 และ 3–8 เท่าสำหรับ S. elongatus CCAP 1479/1A และ PCC 7942 ตามลำดับ)ก่อนหน้านี้ เราใช้แบบจำลองการถ่ายโอนมวล CO2 เพื่อแสดงให้เห็นว่าตัวขับเคลื่อนหลักของการดูดซึม CO2 สูงคือการไล่ระดับความเข้มข้นของ CO2 อย่างรวดเร็วที่พื้นผิวของคอมโพสิตชีวภาพ และประสิทธิภาพของคอมโพสิตชีวภาพนั้นสามารถถูกจำกัดด้วยความต้านทานต่อการถ่ายโอนมวลปัญหานี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการผสมผสานส่วนผสมที่ไม่เป็นพิษและไม่ก่อให้เกิดฟิล์มเข้าไปในน้ำยางเพื่อเพิ่มความพรุนและการซึมผ่านของสารเคลือบ26 แต่การกักเก็บเซลล์อาจลดลงเนื่องจากกลยุทธ์นี้จะส่งผลให้ฟิล์มอ่อนลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้20องค์ประกอบทางเคมีสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการโพลิเมอไรเซชันเพื่อเพิ่มความพรุน ซึ่งเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของการผลิตทางอุตสาหกรรมและความสามารถในการปรับขนาด45
ประสิทธิภาพของคอมโพสิตชีวภาพใหม่เมื่อเปรียบเทียบกับการศึกษาล่าสุดที่ใช้คอมโพสิตชีวภาพจากสาหร่ายขนาดเล็กและไซยาโนแบคทีเรียแสดงให้เห็นข้อดีในการปรับอัตราการโหลดของเซลล์ (ตารางที่ 1)21,46 และมีเวลาการวิเคราะห์นานขึ้น (84 วันเทียบกับ 15 ชั่วโมง46 และ 3 สัปดาห์21)
ปริมาณคาร์โบไฮเดรตในเซลล์ตามปริมาตรเปรียบเทียบได้ดีกับการศึกษาอื่นๆ47,48,49,50 โดยใช้ไซยาโนแบคทีเรีย และใช้เป็นเกณฑ์ที่เป็นไปได้สำหรับการดักจับคาร์บอนและการใช้งาน/การนำกลับมาใช้ใหม่ เช่น สำหรับกระบวนการหมัก BECCS49,51 หรือสำหรับการผลิตสารที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ พลาสติกชีวภาพ52 .ส่วนหนึ่งของเหตุผลสำหรับการศึกษาครั้งนี้ เราสันนิษฐานว่าการปลูกป่า แม้จะพิจารณาในแนวคิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเชิงลบของ BECCS ก็ไม่ใช่ยาครอบจักรวาลสำหรับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และกินพื้นที่ในสัดส่วนที่น่าตกใจของพื้นที่เพาะปลูกของโลก6จากการทดลองทางความคิด คาดว่าจะต้องกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ระหว่าง 640 ถึง 950 GtCO2 ออกจากบรรยากาศภายในปี 2100 เพื่อจำกัดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโลกไว้ที่ 1.5°C53 (ประมาณ 8 ถึง 12 GtCO2 ต่อปี)การบรรลุเป้าหมายนี้ด้วยคอมโพสิตชีวภาพที่มีประสิทธิภาพดีกว่า (574.08 ± 30.19 ตัน CO2 t-1 ชีวมวลต่อปี-1) จะต้องมีการขยายปริมาตรจาก 5.5 × 1,010 เป็น 8.2 × 1,010 ลูกบาศก์เมตร (ด้วยประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงที่เทียบเคียงได้) ซึ่งมีตั้งแต่ 196 ถึง 2.92 พันล้านลิตร พอลิเมอร์สมมติว่าคอมโพสิตชีวภาพ 1 ลบ.ม. ครอบครองพื้นที่ 1 ตร.ม. พื้นที่ที่ต้องดูดซับเป้าหมาย CO2 ทั้งหมดต่อปีจะอยู่ระหว่าง 5.5 ถึง 8.17 ล้านเฮกตาร์ ซึ่งเทียบเท่ากับ 0.18-0.27% ของความเหมาะสมสำหรับอายุการใช้งานของที่ดินใน เขตร้อนและลดพื้นที่ดินความต้องการ BECCS 98-99%ควรสังเกตว่าอัตราส่วนการดักจับตามทฤษฎีนั้นขึ้นอยู่กับการดูดซับ CO2 ที่บันทึกในที่แสงน้อยทันทีที่คอมโพสิตชีวภาพสัมผัสกับแสงธรรมชาติที่มีความเข้มข้นมากขึ้น อัตราการดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความต้องการที่ดินลดลงอีก และทำให้มาตราส่วนหันไปสู่แนวคิดคอมโพสิตชีวภาพมากขึ้นอย่างไรก็ตาม การใช้งานจะต้องอยู่ที่เส้นศูนย์สูตรเพื่อให้ความเข้มและระยะเวลาของแบ็คไลท์คงที่
ผลกระทบทั่วโลกของการปฏิสนธิคาร์บอนไดออกไซด์ กล่าวคือ การเพิ่มขึ้นของผลผลิตพืชที่เกิดจากความพร้อมของคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้น ได้ลดลงในพื้นที่ส่วนใหญ่ อาจเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงธาตุอาหารหลักในดิน (N และ P) และแหล่งน้ำ7ซึ่งหมายความว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงบนบกอาจไม่ทำให้การดูดซึม CO2 เพิ่มขึ้น แม้ว่าความเข้มข้นของ CO2 ในอากาศจะสูงขึ้นก็ตามในบริบทนี้ กลยุทธ์การบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศภาคพื้นดิน เช่น BECCS มีโอกาสประสบความสำเร็จน้อยกว่าด้วยซ้ำหากปรากฏการณ์ระดับโลกนี้ได้รับการยืนยัน คอมโพสิตชีวภาพที่ได้รับแรงบันดาลใจจากไลเคนของเราอาจเป็นทรัพย์สินหลักในการเปลี่ยนจุลินทรีย์สังเคราะห์แสงในน้ำเซลล์เดียวให้เป็น "สารพื้นดิน"พืชบกส่วนใหญ่แก้ไข CO2 ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง C3 ในขณะที่พืช C4 เอื้ออำนวยต่อแหล่งที่อยู่อาศัยที่อบอุ่นและแห้งกว่า และมีประสิทธิภาพมากกว่าที่ความดันย่อย CO254 ที่สูงขึ้นไซยาโนแบคทีเรียเสนอทางเลือกอื่นที่สามารถชดเชยการคาดการณ์ที่น่าตกใจของการสัมผัสก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ลดลงในพืช C3ไซยาโนแบคทีเรียเอาชนะข้อจำกัดด้านการหายใจด้วยแสงโดยการพัฒนากลไกการเสริมสมรรถนะคาร์บอนที่มีประสิทธิภาพ โดยแสดงและรักษาแรงกดดันบางส่วนของ CO2 ที่สูงขึ้นโดยไรบูโลส-1,5-บิสฟอสเฟต คาร์บอกซิเลส/ออกซิเจนเจเนส (RuBisCo) ภายในคาร์บอกซีโซมรอบๆหากสามารถเพิ่มการผลิตคอมโพสิตชีวภาพไซยาโนแบคทีเรีย สิ่งนี้อาจกลายเป็นอาวุธสำคัญสำหรับมนุษยชาติในการต่อสู้กับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
คอมโพสิตชีวภาพ (การเลียนแบบไลเคน) มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนเหนือสาหร่ายขนาดเล็กและไซยาโนแบคทีเรียแบบเดิม โดยให้อัตราการดูดซับ CO2 ที่สูงขึ้น ลดความเสี่ยงจากมลภาวะ และมีแนวโน้มว่าจะหลีกเลี่ยง CO2 ในการแข่งขันได้ต้นทุนช่วยลดการใช้ที่ดิน น้ำ และสารอาหารลงอย่างมาก56การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการพัฒนาและผลิตน้ำยางที่เข้ากันได้ทางชีวภาพประสิทธิภาพสูง ซึ่งเมื่อรวมกับฟองน้ำรังบวบเป็นสารตั้งต้น จะสามารถดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลตลอดระยะเวลาหลายเดือนของการผ่าตัด ขณะเดียวกันก็รักษาการสูญเสียเซลล์ให้น้อยที่สุดคอมโพสิตชีวภาพสามารถดักจับมวลชีวภาพได้ประมาณ 570 ตัน CO2 t-1 ต่อปี และอาจพิสูจน์ได้ว่ามีความสำคัญมากกว่ากลยุทธ์การปลูกป่าของ BECCS ในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของเราด้วยการปรับองค์ประกอบของพอลิเมอร์ให้เหมาะสมยิ่งขึ้น การทดสอบที่ความเข้มของแสงที่สูงขึ้น และเมื่อรวมกับวิศวกรรมเมตาบอลิซึมที่ซับซ้อน นักวิศวกรรมชีวภาพดั้งเดิมของธรรมชาติจึงสามารถช่วยเหลือได้อีกครั้ง
โพลีเมอร์อะคริลิกลาเท็กซ์ถูกเตรียมโดยใช้ส่วนผสมของสไตรีนโมโนเมอร์ บิวทิล อะคริเลต และกรดอะคริลิก และปรับ pH เป็น 7 โดยมีโซเดียมไฮดรอกไซด์ 0.1 โมลาร์ (ตารางที่ 2)สไตรีนและบิวทิลอะคริเลตประกอบขึ้นเป็นสายโซ่โพลีเมอร์จำนวนมาก ในขณะที่กรดอะคริลิกช่วยกักเก็บอนุภาคของลาเท็กซ์ไว้ในสารแขวนลอย57คุณสมบัติเชิงโครงสร้างของน้ำยางถูกกำหนดโดยอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) ซึ่งควบคุมโดยการเปลี่ยนอัตราส่วนของสไตรีนและบิวทิลอะคริเลต ซึ่งให้คุณสมบัติ "แข็ง" และ "อ่อน" ตามลำดับ58โพลีเมอร์อะคริลิกลาเท็กซ์ทั่วไปคือสไตรีน 50:50:บิวทิลอะคริเลต 30 ดังนั้นในการศึกษานี้ น้ำยางที่มีอัตราส่วนนี้จึงเรียกว่าน้ำยาง "ปกติ" และน้ำยางที่มีปริมาณสไตรีนสูงกว่าจะเรียกว่าน้ำยางที่มีปริมาณสไตรีนต่ำกว่า .เรียกว่า “อ่อน” เป็น “แข็ง”
อิมัลชันปฐมภูมิถูกเตรียมโดยใช้น้ำกลั่น (174 กรัม), โซเดียม ไบคาร์บอเนต (0.5 กรัม) และสารลดแรงตึงผิว Rhodapex Ab/20 (30.92 กรัม) (โซลเวย์) เพื่อทำให้หยดมอนอเมอร์ 30 ตัวคงตัวการใช้หลอดฉีดยาแก้ว (วิศวกรรมแก้ววิทยาศาสตร์) กับปั๊มหลอดฉีดยา ส่วนลงตัวรองที่ประกอบด้วยสไตรีน บิวทิล อะคริเลต และกรดอะคริลิกที่แสดงอยู่ในตารางที่ 2 ถูกเติมแบบหยดในอัตรา 100 มล. h-1 ลงในอิมัลชันปฐมภูมิตลอด 4 ชั่วโมง (โคล -พาลเมอร์, เมานต์เวอร์นอน, อิลลินอยส์)เตรียมสารละลายของตัวเริ่มปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชัน 59 โดยใช้ dHO และแอมโมเนียม เพอร์ซัลเฟต (100 มล., 3% น้ำหนัก/น้ำหนัก)
ผัดสารละลายที่ประกอบด้วย dHO (206 กรัม) โซเดียมไบคาร์บอเนต (1 กรัม) และ Rhodapex Ab/20 (4.42 กรัม) โดยใช้เครื่องกวนแบบเหนือศีรษะ (ค่า Heidolph Hei-TORQUE 100) ด้วยใบพัดสแตนเลสและให้ความร้อนถึง 82°C ใน เรือหุ้มเกราะในอ่างน้ำอุ่น VWR Scientific 1137Pสารละลายน้ำหนักลดลงของมอนอเมอร์ (28.21 ก.) และตัวเริ่มต้น (20.60 ก.) ถูกเติมแบบหยดลงในภาชนะที่หุ้มไว้และคนเป็นเวลา 20 นาทีผสมโมโนเมอร์ที่เหลือ (150 มล. h-1) และสารละลายตัวเริ่มต้น (27 มล. h-1) แรงๆ เพื่อกันไม่ให้อนุภาคแขวนลอยจนกว่าจะเติมลงในแจ็คเก็ตน้ำนานกว่า 5 ชั่วโมง โดยใช้หลอดฉีดยา 10 มล. และ 100 มล. ตามลำดับในภาชนะ .เสร็จสิ้นด้วยปั๊มหลอดฉีดยาความเร็วของเครื่องกวนเพิ่มขึ้นเนื่องจากปริมาตรของสารละลายเพิ่มขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าจะคงสภาพของสารละลายไว้หลังจากการเติมตัวเริ่มต้นและอิมัลชัน อุณหภูมิของปฏิกิริยาถูกเพิ่มไปยัง 85°C, คนให้เข้ากันที่ 450 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 30 นาที จากนั้นทำให้เย็นลงจนถึง 65°Cหลังจากการทำความเย็น สารละลายแทนที่สองชนิดถูกเติมลงในน้ำยาง: เติร์ต-บิวทิล ไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (t-BHP) (70% ในน้ำ) (5 ก., 14% โดยน้ำหนัก) และกรดไอโซแอสคอร์บิก (5 ก., 10% โดยน้ำหนัก).เติม t-BHP ทีละหยด และทิ้งไว้ 20 นาทีต่อจากนั้นกรดอีริทอร์บิกถูกเติมในอัตรา 4 มล./ชม. จากหลอดฉีดขนาด 10 มล. โดยใช้ปั๊มหลอดฉีดยาจากนั้นสารละลายลาเท็กซ์ถูกทำให้เย็นจนถึงอุณหภูมิห้องและปรับเป็น pH 7 ด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ 0.1 โมลาร์
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate (Texanol) – ความเป็นพิษต่ำที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพสำหรับสีน้ำยาง 37,60 – เติมด้วยกระบอกฉีดยาและปั๊มใน 3 ปริมาตร (0, 4, 12% v/v) เป็นสารประสานสำหรับส่วนผสมน้ำยางเพื่อช่วยในการสร้างฟิล์มระหว่างการอบแห้ง37เปอร์เซ็นต์ของแข็งของน้ำยางถูกกำหนดโดยการใส่โพลีเมอร์แต่ละตัว 100 µl ในฝาอลูมิเนียมฟอยล์ที่ชั่งน้ำหนักไว้ล่วงหน้า แล้วทำให้แห้งในเตาอบที่ 100°C เป็นเวลา 24 ชั่วโมง
สำหรับการส่งผ่านแสง ส่วนผสมลาเท็กซ์แต่ละชนิดถูกนำไปใช้กับกล้องจุลทรรศน์สไลด์โดยใช้ลูกบาศก์หยดสเตนเลสสตีลที่ปรับเทียบเพื่อผลิตฟิล์มขนาด 100 µm และทำให้แห้งที่ 20°C เป็นเวลา 48 ชั่วโมงการส่งผ่านแสง (มุ่งเน้นไปที่การแผ่รังสีที่สังเคราะห์แสง 400–700 นาโนเมตร) วัดบนเครื่องสเปกโตรเรดิโอมิเตอร์ ILT950 SpectriLight พร้อมเซ็นเซอร์ที่ระยะ 35 ซม. จากหลอดฟลูออเรสเซนต์ 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) - โดยที่แสง แหล่งที่มาคือไซยาโนแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิต วัสดุคอมโพสิตจะถูกเก็บรักษาไว้ซอฟต์แวร์ SpectrILight III เวอร์ชัน 3.5 ใช้เพื่อบันทึกความสว่างและการส่งสัญญาณในช่วง แลมบ์ดา 400–700 นาโนเมตรตัวอย่างทั้งหมดถูกวางไว้บนเซนเซอร์ และใช้สไลด์แก้วที่ไม่เคลือบเป็นตัวควบคุม
ตัวอย่างน้ำยางถูกเติมลงในจานอบซิลิโคนและปล่อยให้แห้งเป็นเวลา 24 ชั่วโมงก่อนที่จะทดสอบความแข็งวางตัวอย่างน้ำยางแห้งไว้บนฝาเหล็กใต้กล้องจุลทรรศน์ x10หลังจากโฟกัสแล้ว ตัวอย่างจะได้รับการประเมินโดยใช้เครื่องทดสอบความแข็งระดับไมโครของ Buehler Micromet IIตัวอย่างต้องออกแรง 100 ถึง 200 กรัม และตั้งเวลาโหลดไว้ที่ 7 วินาที เพื่อสร้างรอยบุ๋มรูปเพชรในตัวอย่างวิเคราะห์การพิมพ์โดยใช้วัตถุประสงค์ของกล้องจุลทรรศน์ Bruker Alicona × 10 พร้อมซอฟต์แวร์การวัดรูปร่างเพิ่มเติมใช้สูตรความแข็งของวิคเกอร์ส (สมการที่ 1) ในการคำนวณความแข็งของน้ำยางแต่ละชนิด โดยที่ HV คือเลขวิคเกอร์ F คือแรงที่ใช้ และ d คือค่าเฉลี่ยของเส้นทแยงมุมเยื้องที่คำนวณจากความสูงและความกว้างของน้ำยางค่าเยื้องไม่สามารถวัดลาเท็กซ์ "อ่อน" ได้เนื่องจากการยึดเกาะและยืดตัวระหว่างการทดสอบการเยื้อง
เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) ขององค์ประกอบน้ำยาง ตัวอย่างโพลีเมอร์ถูกใส่ในจานซิลิกาเจล ตากให้แห้งเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ชั่งน้ำหนัก 0.005 กรัม และวางลงในจานตัวอย่างจานถูกปิดและวางไว้ในคัลเลอริมิเตอร์สแกนดิฟเฟอเรนเชียล (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ข้อมูล Pyris)62วิธีการไหลของความร้อนใช้ในการวางถ้วยอ้างอิงและถ้วยตัวอย่างไว้ในเตาอบเดียวกันโดยมีหัววัดอุณหภูมิในตัวเพื่อวัดอุณหภูมิมีการใช้ทางลาดทั้งหมด 2 ทางเพื่อสร้างเส้นโค้งที่สอดคล้องกันวิธีการสุ่มตัวอย่างถูกยกขึ้นซ้ำๆ จาก -20°C เป็น 180°C ที่อัตรา 20°C ต่อนาทีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดแต่ละจุดจะถูกเก็บไว้เป็นเวลา 1 นาทีเพื่อชดเชยอุณหภูมิที่ล่าช้า
เพื่อประเมินความสามารถของคอมโพสิตชีวภาพในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ ตัวอย่างจะถูกเตรียมและทดสอบในลักษณะเดียวกับการศึกษาก่อนหน้าของเรา31ผ้าเช็ดตัวแห้งและนึ่งฆ่าเชื้อถูกตัดเป็นเส้นขนาดประมาณ 1×1×5 ซม. แล้วชั่งน้ำหนักใช้สารเคลือบชีวภาพที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสองชนิดจำนวน 600 µl ของไซยาโนแบคทีเรียแต่ละสายพันธุ์ที่ปลายด้านหนึ่งของแถบรังบวบแต่ละเส้น โดยครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 1 × 1 × 3 ซม. และแห้งในที่มืดที่อุณหภูมิ 20°C เป็นเวลา 24 ชั่วโมงเนื่องจากโครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ของรังบวบ ทำให้บางสูตรสูญเสียไป ดังนั้นประสิทธิภาพในการโหลดเซลล์จึงไม่ได้ 100%เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงได้กำหนดน้ำหนักของส่วนผสมที่เตรียมแบบแห้งบนใยบวบและปรับให้เป็นมาตรฐานสำหรับผลิตภัณฑ์เตรียมแบบแห้งอ้างอิงเตรียมการควบคุมแบบไม่ใช้ชีวะซึ่งประกอบด้วยรังบวบ น้ำยาง และสารอาหารที่ปราศจากเชื้อในทำนองเดียวกัน
หากต้องการทดสอบการดูดซึม CO2 แบบครึ่งชุด ให้วางคอมโพสิตชีวภาพ (n = 3) ลงในหลอดแก้วขนาด 50 มล. เพื่อให้ปลายด้านหนึ่งของคอมโพสิตชีวภาพ (ไม่มีสารเคลือบชีวภาพ) สัมผัสกับตัวกลางการเจริญเติบโต 5 มล. เพื่อให้สารอาหารสามารถ จะถูกลำเลียงโดยการกระทำของเส้นเลือดฝอย.ขวดถูกปิดผนึกด้วยจุกยางบิวทิลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มม. และปิดด้วยฝาอลูมิเนียมสีเงินเมื่อปิดผนึกแล้ว ให้ฉีด CO2 5%/อากาศ 45 มล. โดยใช้เข็มปลอดเชื้อติดอยู่กับหลอดฉีดยาแบบกันก๊าซความหนาแน่นของเซลล์ของสารแขวนลอยควบคุม (n = 3) เท่ากับปริมาณเซลล์ของคอมโพสิตชีวภาพในตัวกลางที่เป็นสารอาหารการทดสอบดำเนินการที่อุณหภูมิ 18 ± 2 °C โดยมีช่วงแสง 16:8 และช่วงแสง 30.5 µmol m-2 s-1พื้นที่ส่วนหัวจะถูกเอาออกทุกๆ สองวันด้วยกระบอกฉีดแก๊ส และวิเคราะห์ด้วยเครื่องวัด CO2 ที่มีการดูดกลืนอินฟราเรด GEOTech G100 เพื่อกำหนดเปอร์เซ็นต์ของ CO2 ที่ถูกดูดซับเติมส่วนผสมของก๊าซ CO2 ในปริมาณที่เท่ากัน
% CO2 Fix มีการคำนวณดังนี้ % CO2 Fix = 5% (v/v) – เขียน %CO2 (สมการที่ 2) โดยที่ P = ความดัน, V = ปริมาตร, T = อุณหภูมิ และ R = ค่าคงที่ของก๊าซในอุดมคติ
อัตราการดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์ที่รายงานสำหรับการควบคุมสารแขวนลอยของไซยาโนแบคทีเรียและคอมโพสิตชีวภาพถูกทำให้เป็นมาตรฐานไปยังการควบคุมที่ไม่ใช่ทางชีวภาพหน่วยการทำงานของชีวมวล g คือปริมาณของมวลชีวมวลแห้งที่ตรึงไว้บนผ้าเช็ดตัวตรวจสอบได้โดยการชั่งน้ำหนักตัวอย่างใยบวบก่อนและหลังการตรึงเซลล์การบัญชีสำหรับมวลโหลดของเซลล์ (เทียบเท่าชีวมวล) โดยการชั่งน้ำหนักการเตรียมเซลล์ก่อนและหลังการอบแห้งแยกกัน และโดยการคำนวณความหนาแน่นของการเตรียมเซลล์ (สมการที่ 3)การเตรียมเซลล์จะถือว่าเป็นเนื้อเดียวกันในระหว่างการตรึง
Minitab 18 และ Microsoft Excel พร้อมด้วย RealStatistics add-in ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ทางสถิติภาวะปกติถูกทดสอบโดยใช้การทดสอบแอนเดอร์สัน-ดาร์ลิง และทดสอบความเท่าเทียมกันของความแปรปรวนโดยใช้การทดสอบเลวีนข้อมูลที่เป็นไปตามสมมติฐานเหล่านี้ได้รับการวิเคราะห์โดยใช้การวิเคราะห์ความแปรปรวน (ANOVA) แบบสองทางด้วยการทดสอบของทูคีย์เป็นการวิเคราะห์ภายหลังเฉพาะกิจข้อมูลสองทางที่ไม่เป็นไปตามสมมติฐานของความเป็นปกติและความแปรปรวนที่เท่ากันได้รับการวิเคราะห์โดยใช้การทดสอบ Shirer-Ray-Hara จากนั้นจึงทดสอบ Mann-Whitney U-test เพื่อกำหนดความสำคัญระหว่างการรักษาโมเดลผสมเชิงเส้นทั่วไป (GLM) ใช้สำหรับข้อมูลที่ไม่ปกติโดยมีปัจจัย 3 ประการ โดยที่ข้อมูลถูกแปลงโดยใช้การแปลงจอห์นสัน 63ทำการเปรียบเทียบช่วงเวลาของผลิตภัณฑ์เพียร์สันเพื่อประเมินความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของเท็กซานอล อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว และความเป็นพิษของยางและข้อมูลการยึดเกาะ