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Le captage et le stockage du carbone sont essentiels pour atteindre les objectifs de l’Accord de Paris.La photosynthèse est la technologie naturelle permettant de capturer le carbone.En nous inspirant des lichens, nous avons développé un biocomposite photosynthétique 3D de cyanobactéries (c'est-à-dire imitant le lichen) en utilisant un polymère de latex acrylique appliqué sur une éponge de luffa.Le taux d'absorption du CO2 par le biocomposite était de 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 de biomasse j-1.Le taux d'absorption est basé sur la biomasse sèche au début de l'expérience et inclut le CO2 utilisé pour cultiver une nouvelle biomasse ainsi que le CO2 contenu dans les composés de stockage tels que les glucides.Ces taux d'absorption étaient 14 à 20 fois supérieurs aux mesures de contrôle du lisier et pourraient potentiellement être augmentés pour capturer 570 t de CO2 t-1 de biomasse par an-1, ce qui équivaut à 5,5 à 8,17 × 106 hectares d'utilisation des terres, éliminant 8 à 12 Gt de CO2. CO2 par an.En revanche, la bioénergie forestière avec captage et stockage du carbone couvre 0,4 à 1,2 × 109 ha.Le biocomposite est resté fonctionnel pendant 12 semaines sans nutriments ni eau supplémentaires, après quoi l'expérience a été terminée.Dans le cadre de la position technologique à multiples facettes de l'humanité pour lutter contre le changement climatique, les biocomposites cyanobactériens conçus et optimisés ont le potentiel d'un déploiement durable et évolutif pour augmenter l'élimination du CO2 tout en réduisant les pertes d'eau, de nutriments et d'utilisation des terres.
Le changement climatique constitue une menace réelle pour la biodiversité mondiale, la stabilité des écosystèmes et les populations.Pour atténuer ses pires effets, des programmes de décarburation coordonnés et à grande échelle sont nécessaires et, bien entendu, une certaine forme d’élimination directe des gaz à effet de serre de l’atmosphère est nécessaire.Malgré une décarbonation positive de la production d’électricité2,3, il n’existe actuellement aucune solution technologique économiquement durable pour réduire le dioxyde de carbone atmosphérique (CO2)4, même si le captage des gaz de combustion progresse5.Au lieu de solutions d’ingénierie évolutives et pratiques, les gens devraient se tourner vers des ingénieurs naturels pour le captage du carbone – des organismes photosynthétiques (organismes phototrophes).La photosynthèse est la technologie naturelle de séquestration du carbone, mais sa capacité à inverser l'enrichissement anthropique en carbone sur des échelles de temps significatives est discutable, les enzymes sont inefficaces et sa capacité à se déployer à des échelles appropriées est discutable.Une voie potentielle pour la phototrophie est le boisement, qui consiste à couper des arbres pour la bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECCS), une technologie à émissions négatives qui peut aider à réduire les émissions nettes de CO21.Cependant, pour atteindre l’objectif de température de 1,5 °C de l’Accord de Paris en utilisant le BECCS comme méthode principale, il faudrait 0,4 à 1,2 × 109 ha, soit l’équivalent de 25 à 75 % des terres arables mondiales actuelles6.De plus, l’incertitude associée aux effets globaux de la fertilisation par le CO2 remet en question l’efficacité globale potentielle des plantations forestières7.Si nous voulons atteindre les objectifs de température fixés par l’Accord de Paris, 100 secondes de GtCO2 de gaz à effet de serre (GGR) doivent être éliminées de l’atmosphère chaque année.Le ministère britannique de la Recherche et de l'Innovation a récemment annoncé le financement de cinq projets GGR8, notamment la gestion des tourbières, l'amélioration de l'altération des roches, la plantation d'arbres, le biocharbon et les cultures pérennes pour alimenter le processus BECCS.Les coûts liés à l’élimination de plus de 130 MtCO2 de l’atmosphère par an sont de 10 à 100 USD/tCO2, de 0,2 à 8,1 MtCO2 par an pour la restauration des tourbières, de 52 à 480 USD/tCO2 et de 12 à 27 MtCO2 par an pour l’altération des roches. , 0,4-30 USD/an.tCO2, 3,6 MtCO2/an, augmentation de 1 % de la superficie forestière, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/an, biochar, 140-270 US$/tCO2, 20-70 Mt CO2 par an pour les cultures permanentes utilisant BECCS9.
Une combinaison de ces approches pourrait potentiellement atteindre l’objectif de 130 Mt de CO2 par an, mais les coûts de l’altération des roches et du BECCS sont élevés, et le biochar, bien que relativement bon marché et sans rapport avec l’utilisation des terres, nécessite une matière première pour le processus de production de biochar.propose ce développement et ce numéro pour déployer d'autres technologies GGR.
Au lieu de chercher des solutions sur terre, recherchez l’eau, notamment les phototrophes unicellulaires comme les microalgues et les cyanobactéries10.Les algues (y compris les cyanobactéries) capturent environ 50 % du dioxyde de carbone mondial, alors qu'elles ne représentent que 1 % de la biomasse mondiale11.Les cyanobactéries sont les biogéoingénieurs originaux de la nature, jetant les bases du métabolisme respiratoire et de l'évolution de la vie multicellulaire grâce à la photosynthèse oxygénée12.L'idée d'utiliser des cyanobactéries pour capter le carbone n'est pas nouvelle, mais des méthodes innovantes de placement physique ouvrent de nouveaux horizons à ces organismes anciens.
Les étangs ouverts et les photobioréacteurs sont des atouts par défaut lors de l’utilisation de microalgues et de cyanobactéries à des fins industrielles.Ces systèmes de culture utilisent une culture en suspension dans laquelle les cellules flottent librement dans un milieu de croissance14 ;cependant, les étangs et les photobioréacteurs présentent de nombreux inconvénients tels qu'un faible transfert de masse de CO2, une utilisation intensive des terres et de l'eau, une sensibilité au bio-encrassement et des coûts de construction et d'exploitation élevés15,16.Les bioréacteurs à biofilm qui n'utilisent pas de cultures en suspension sont plus économiques en termes d'eau et d'espace, mais risquent de subir des dommages dus à la dessiccation, sont sujets au détachement du biofilm (et donc à la perte de biomasse active) et sont également sujets au bioencrassement17.
De nouvelles approches sont nécessaires pour augmenter le taux d’absorption du CO2 et résoudre les problèmes qui limitent les réacteurs à boues et à biofilm.L’une de ces approches concerne les biocomposites photosynthétiques inspirés des lichens.Les lichens sont un complexe de champignons et de photobiontes (microalgues et/ou cyanobactéries) qui couvrent environ 12 % de la superficie terrestre18.Les champignons fournissent un support physique, une protection et un ancrage au substrat photobiotique, qui à son tour fournit du carbone aux champignons (sous forme de produits photosynthétiques en excès).Le biocomposite proposé est un « mimétique de lichen », dans lequel une population concentrée de cyanobactéries est immobilisée sous la forme d'un mince biorevêtement sur un substrat porteur.En plus des cellules, le biorevêtement contient une matrice polymère qui peut remplacer le champignon.Les émulsions polymères à base d’eau ou « latex » sont préférées car elles sont biocompatibles, durables, peu coûteuses, faciles à manipuler et disponibles dans le commerce19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
La fixation des cellules avec des polymères de latex est fortement influencée par la composition du latex et le processus de formation du film.La polymérisation en émulsion est un processus hétérogène utilisé pour produire du caoutchouc synthétique, des revêtements adhésifs, des mastics, des additifs pour béton, des revêtements pour papier et textile et des peintures au latex27.Elle présente de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes de polymérisation, tels qu'une vitesse de réaction élevée et une efficacité de conversion des monomères, ainsi qu'une facilité de contrôle du produit27,28.Le choix des monomères dépend des propriétés souhaitées du film polymère résultant, et pour les systèmes de monomères mixtes (c'est-à-dire les copolymérisations), les propriétés du polymère peuvent être modifiées en sélectionnant différents rapports de monomères qui forment le matériau polymère résultant.L'acrylate de butyle et le styrène font partie des monomères de latex acrylique les plus courants et sont utilisés ici.De plus, des agents coalescents (par exemple le Texanol) sont souvent utilisés pour favoriser la formation d'un film uniforme où ils peuvent modifier les propriétés du latex polymère pour produire un revêtement (coalescent) solide et « continu ».Dans notre première étude de validation de principe, un biocomposite 3D à grande surface et à haute porosité a été fabriqué à l’aide d’une peinture au latex commerciale appliquée sur une éponge de luffa.Après des manipulations longues et continues (huit semaines), le biocomposite a montré une capacité limitée à retenir les cyanobactéries sur l'échafaudage en luffa, car la croissance cellulaire affaiblissait l'intégrité structurelle du latex.Dans la présente étude, nous avions pour objectif de développer une série de polymères de latex acrylique de chimie connue pour une utilisation continue dans les applications de captage du carbone sans sacrifier la dégradation des polymères.Ce faisant, nous avons démontré la capacité de créer des éléments de matrice polymère de type lichen qui offrent des performances biologiques améliorées et une élasticité mécanique considérablement accrue par rapport aux biocomposites éprouvés.Une optimisation plus poussée accélérera l’adoption de biocomposites pour le captage du carbone, en particulier lorsqu’ils sont combinés à des cyanobactéries métaboliquement modifiées pour améliorer la séquestration du CO2.
Neuf latex avec trois formulations de polymères (H = « dur », N = « normal », S = « doux ») et trois types de Texanol (0, 4, 12 % v/v) ont été testés pour la toxicité et la corrélation de déformation.Adhésif.provenant de deux cyanobactéries.Le type de latex a influencé de manière significative S. elongatus PCC 7942 (test de Shirer-Ray-Hare, latex : DF=2, H=23,157, P=<0,001) et CCAP 1479/1A (ANOVA bidirectionnelle, latex : DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (Fig. 1a).La concentration de texanol n'a pas affecté de manière significative la croissance de S. elongatus PCC 7942, seul le N-latex était non toxique (Fig. 1a) et 0 N et 4 N maintenaient une croissance de 26 % et 35 %, respectivement (Mann- Whitney U, 0 N contre 4 N : W = 13,50, P = 0,245 ; 0 N contre contrôle : W = 25,0, P = 0,061 ; 4 N contre contrôle : W = 25,0, P = 0,061) et 12 N ont maintenu une croissance comparable au contrôle biologique (Université Mann-Whitney, 12 N vs contrôle : W = 17,0, P = 0,885).Pour S. elongatus CCAP 1479/1A, le mélange de latex et la concentration de texanol étaient des facteurs importants, et une interaction significative a été observée entre les deux (ANOVA bidirectionnelle, latex : 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 et tous les latex « mous » favorisaient la croissance (Fig. 1a).Il existe une tendance à améliorer la croissance avec une diminution de la composition en styrène.
Tests de toxicité et d'adhésion des cyanobactéries (Synechococcus elongatus PCC 7942 et CCAP 1479/1A) aux formulations de latex, relation avec la température de transition vitreuse (Tg) et matrice de décision basée sur les données de toxicité et d'adhésion.(a) Les tests de toxicité ont été effectués en utilisant des parcelles distinctes de pourcentage de croissance de cyanobactéries normalisées pour contrôler les cultures en suspension.Les traitements marqués d'un * sont significativement différents des contrôles.(b) Données de croissance des cyanobactéries par rapport au latex Tg (moyenne ± écart-type ; n = 3).(c) Le nombre cumulé de cyanobactéries libérées par le test d'adhésion du biocomposite.(d) Données d'adhésion par rapport à la Tg du latex (moyenne ± StDev ; n = 3).e Matrice de décision basée sur les données de toxicité et d'adhésion.Le rapport styrène/acrylate de butyle est de 1 : 3 pour le latex « dur » (H), de 1 : 1 pour le latex « normal » (N) et de 3 : 1 pour le latex « mou » (S).Les chiffres précédents dans le code latex correspondent à la teneur en Texanol.
Dans la plupart des cas, la viabilité cellulaire diminuait avec l'augmentation de la concentration de texanol, mais il n'y avait aucune corrélation significative pour aucune des souches (CCAP 1479/1A : DF = 25, r = -0,208, P = 0,299 ; PCC 7942 : DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).Sur la fig.La figure 1b montre la relation entre la croissance cellulaire et la température de transition vitreuse (Tg).Il existe une forte corrélation négative entre la concentration de texanol et les valeurs de Tg (H-latex : DF=7, r=-0,989, P=<0,001 ; N-latex : DF=7, r=-0,964, P=<0,001 ; S-latex : DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Les données ont montré que la Tg optimale pour la croissance de S. elongatus PCC 7942 était d'environ 17 °C (Figure 1b), tandis que S. elongatus CCAP 1479/1A favorisait une Tg inférieure à 0 °C (Figure 1b).Seul S. elongatus CCAP 1479/1A présentait une forte corrélation négative entre la Tg et les données de toxicité (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Tous les latex avaient une bonne affinité d'adhésion et aucun d'entre eux ne libérait plus de 1% de cellules après 72 h (Fig. 1c).Il n'y avait pas de différence significative entre les latex des deux souches de S. elongatus (PCC 7942 : test Scheirer-Ray-Hara, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903 ; P=0,924 ; CCAP 1479/1A : Scheirer- Test de rayon).– Test du lièvre, latex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).À mesure que la concentration de Texanol augmente, davantage de cellules sont libérées (Figure 1c).par rapport à S. elongatus PCC 7942 (DF = 25, r = -0,660, P = <0,001) (Figure 1d).De plus, il n'y avait aucune relation statistique entre la Tg et l'adhésion cellulaire des deux souches (PCC 7942 : DF=25, r=0,301, P=0,127 ; CCAP 1479/1A : DF=25, r=0,287, P=0,147).
Pour les deux souches, les polymères de latex « durs » se sont révélés inefficaces.En revanche, 4N et 12N ont donné de meilleurs résultats contre S. elongatus PCC 7942, tandis que 4S et 12S ont donné de meilleurs résultats contre CCAP 1479/1A (Fig. 1e), bien qu'il soit clairement possible d'optimiser davantage la matrice polymère.Ces polymères ont été utilisés dans des tests d’absorption nette de CO2 en semi-lots.
La photophysiologie a été surveillée pendant 7 jours en utilisant des cellules en suspension dans une composition aqueuse de latex.En général, le taux de photosynthèse apparent (PS) et le rendement quantique maximal du PSII (Fv/Fm) diminuent avec le temps, mais cette diminution est inégale et certains ensembles de données PS montrent une réponse biphasique, suggérant une réponse partielle, bien qu'une récupération en temps réel activité PS plus courte (Fig. 2a et 3b).La réponse biphasique Fv/Fm était moins prononcée (Figures 2b et 3b).
(a) Taux de photosynthèse apparent (PS) et (b) rendement quantique PSII maximal (Fv/Fm) de Synechococcus elongatus PCC 7942 en réponse aux formulations de latex par rapport aux cultures en suspension témoins.Le rapport styrène/acrylate de butyle est de 1 : 3 pour le latex « dur » (H), de 1 : 1 pour le latex « normal » (N) et de 3 : 1 pour le latex « mou » (S).Les chiffres précédents dans le code latex correspondent à la teneur en Texanol.(moyenne ± écart type ; n = 3).
(a) Taux de photosynthèse apparent (PS) et (b) rendement quantique PSII maximal (Fv/Fm) de Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A en réponse aux formulations de latex par rapport aux cultures en suspension témoins.Le rapport styrène/acrylate de butyle est de 1 : 3 pour le latex « dur » (H), de 1 : 1 pour le latex « normal » (N) et de 3 : 1 pour le latex « mou » (S).Les chiffres précédents dans le code latex correspondent à la teneur en Texanol.(moyenne ± écart type ; n = 3).
Pour S. elongatus PCC 7942, la composition du latex et la concentration en Texanol n'ont pas affecté le PS au fil du temps (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), bien que la composition soit un facteur important (GLM)., latex * temps, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Fig. 2a).Il n'y avait aucun effet significatif de la concentration de Texanol au fil du temps (GLM, Texanol*time, DF=14, F=1,63, P=0,078).Il y avait une interaction significative affectant Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).L'interaction entre la formulation du latex et la concentration en Texanol a eu un effet significatif sur Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Chaque paramètre affecte également Fv/Fm au fil du temps (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 et Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Le latex 12H a conservé les valeurs moyennes PS et Fv/Fm les plus basses (Fig. 2b), indiquant que ce polymère est plus toxique.
La PS de S. elongatus CCAP 1479/1A était significativement différente (GLM, latex * Texanol * temps, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), avec la composition du latex plutôt que la concentration en Texanol (GLM, Latex*time, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*temps, DF=14, F=1,26, P=0,239).Les polymères « mous » 0S et 4S ont maintenu des niveaux de performance PS légèrement supérieurs à ceux des suspensions témoins (Mann-Whitney U, 0S contre contrôles, W = 686,0, P = 0,044, 4S contre contrôles, W = 713, P = 0,01) et ont maintenu un Fv amélioré./Fm (Fig. 3a) montre un transport plus efficace vers le photosystème II.Pour les valeurs Fv/Fm des cellules CCAP 1479/1A, il y avait une différence significative de latex au fil du temps (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Figure 3b).).
Sur la fig.La figure 4 montre les moyennes PS et Fv/Fm sur une période de 7 jours en fonction de la croissance cellulaire pour chaque souche.S. elongatus PCC 7942 n'avait pas de tendance claire (Fig. 4a et b), cependant, CCAP 1479/1A a montré une relation parabolique entre les valeurs PS (Fig. 4c) et Fv/Fm (Fig. 4d) comme les ratios de styrène et d’acrylate de butyle augmentent avec le changement.
Relation entre croissance et photophysiologie de Synechococcus longum sur préparations de latex.(a) Données de toxicité tracées par rapport au taux photosynthétique apparent (PS), (b) rendement quantique maximal de PSII (Fv/Fm) du PCC 7942. c Données de toxicité tracées par rapport au PS et d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Le rapport styrène/acrylate de butyle est de 1 : 3 pour le latex « dur » (H), de 1 : 1 pour le latex « normal » (N) et de 3 : 1 pour le latex « mou » (S).Les chiffres précédents dans le code latex correspondent à la teneur en Texanol.(moyenne ± écart type ; n = 3).
Le biocomposite PCC 7942 a eu un effet limité sur la rétention cellulaire avec un lessivage cellulaire important au cours des quatre premières semaines (Figure 5).Après la phase initiale d'absorption de CO2, les cellules fixées avec du latex 12 N ont commencé à libérer du CO2, et ce schéma a persisté entre les jours 4 et 14 (Fig. 5b).Ces données concordent avec les observations de décoloration des pigments.L'absorption nette de CO2 a recommencé à partir du jour 18. Malgré la libération cellulaire (Fig. 5a), le biocomposite PCC 7942 12 N a toujours accumulé plus de CO2 que la suspension témoin sur 28 jours, quoique légèrement (test U de Mann-Whitney, W = 2275,5 ; P = 0,066).Le taux d'absorption du CO2 par les latex 12 N et 4 N est de 0,51 ± 0,34 et 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 de biomasse j-1.Il y avait une différence statistiquement significative entre les niveaux de traitement et de temps (test de Chairer-Ray-Hare, traitement : DF=2, H=70,62, P=<0,001, temps : DF=13, H=23,63, P=0,034), mais elle ce n'était pas le cas.il existait une relation significative entre le traitement et le temps (test Chairer-Ray-Har, temps*traitement : DF=26, H=8,70, P=0,999).
Tests d'absorption de CO2 en demi-lot sur des biocomposites Synechococcus elongatus PCC 7942 utilisant du latex 4N et 12N.(a) Les images montrent la libération cellulaire et la décoloration des pigments, ainsi que les images SEM du biocomposite avant et après les tests.Les lignes pointillées blanches indiquent les sites de dépôt cellulaire sur le biocomposite.(b) Absorption nette cumulée de CO2 sur une période de quatre semaines.Le latex « normal » (N) a un rapport styrène/acrylate de butyle de 1:1.Les chiffres précédents dans le code latex correspondent à la teneur en Texanol.(moyenne ± écart type ; n = 3).
La rétention cellulaire a été significativement améliorée pour la souche CCAP 1479/1A avec 4S et 12S, bien que le pigment ait lentement changé de couleur au fil du temps (figure 6a).Le biocomposite CCAP 1479/1A absorbe le CO2 pendant 84 jours complets (12 semaines) sans suppléments nutritionnels supplémentaires.L'analyse SEM (Fig. 6a) a confirmé l'observation visuelle du détachement des petites cellules.Initialement, les cellules étaient enveloppées dans un revêtement en latex qui conservait son intégrité malgré la croissance cellulaire.Le taux d'absorption de CO2 était significativement plus élevé que le groupe témoin (test de Scheirer-Ray-Har, traitement : DF=2 ; H=240,59 ; P=<0,001, temps : DF=42 ; H=112 ; P=<0,001) ( Fig.6b).Le biocomposite 12S a atteint l'absorption de CO2 la plus élevée (1,57 ± 0,08 g de CO2 g-1 de biomasse par jour), tandis que le latex 4S était de 1,13 ± 0,41 g de CO2 g-1 de biomasse par jour, mais ils ne différaient pas de manière significative (Mann-Whitney U .test, W = 1507,50 ; P = 0,07) et aucune interaction significative entre le traitement et le temps (test de Shirer-Rey-Hara, temps * traitement : DF = 82 ; H = 10,37 ; P = 1,000).
Test d'absorption de CO2 en demi-lot utilisant des biocomposites Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A avec latex 4N et 12N.(a) Les images montrent la libération cellulaire et la décoloration des pigments, ainsi que les images SEM du biocomposite avant et après les tests.Les lignes pointillées blanches indiquent les sites de dépôt cellulaire sur le biocomposite.(b) Absorption nette cumulée de CO2 sur la période de douze semaines.Le latex « Soft » (S) a un rapport styrène/acrylate de butyle de 1:1.Les chiffres précédents dans le code latex correspondent à la teneur en Texanol.(moyenne ± écart type ; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (test de Shirer-Ray-Har, temps*traitement : DF=4, H=3,243, P=0,518) ou biocomposite S. elongatus CCAP 1479/1A (deux ANOVA, temps*traitement : DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Fig. S4).Le biocomposite PCC 7942 avait la teneur en glucides la plus élevée à la semaine 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 % en poids, 12 N = 67,9 ± 3,3 % en poids), tandis que la suspension témoin avait la teneur en glucides la plus élevée à la semaine 4 lorsque (témoin = 59,6 ± 2,84 % p/p).La teneur totale en glucides du biocomposite CCAP 1479/1A était comparable à celle de la suspension témoin sauf au début de l'essai, avec quelques changements dans le latex 12S à la semaine 4. Les valeurs les plus élevées pour le biocomposite étaient de 51,9 ± 9,6 % en poids. pour 4S et 77,1 ± 17,0 % en poids pour 12S.
Nous avons entrepris de démontrer les possibilités de conception permettant d'améliorer l'intégrité structurelle des revêtements polymères de latex en couches minces en tant que composant important du concept de biocomposite imitant le lichen sans sacrifier la biocompatibilité ou les performances.En effet, si les défis structurels associés à la croissance cellulaire sont surmontés, nous nous attendons à des améliorations significatives des performances par rapport à nos biocomposites expérimentaux, qui sont déjà comparables à d’autres systèmes de capture du carbone de cyanobactéries et de microalgues.
Les revêtements doivent être non toxiques, durables, favoriser l’adhésion cellulaire à long terme et doivent être poreux pour favoriser un transfert de masse efficace du CO2 et un dégazage de l’O2.Les polymères acryliques de type latex sont faciles à préparer et sont largement utilisés dans les industries de la peinture, du textile et des adhésifs30.Nous avons combiné des cyanobactéries avec une émulsion de polymère de latex acrylique à base d'eau polymérisée avec un rapport spécifique de particules de styrène/acrylate de butyle et diverses concentrations de Texanol.Le styrène et l'acrylate de butyle ont été choisis pour pouvoir contrôler les propriétés physiques, notamment l'élasticité et l'efficacité de coalescence du revêtement (critiques pour un revêtement résistant et hautement adhésif), permettant la synthèse d'agrégats de particules « dures » et « molles ».Les données de toxicité suggèrent que le latex « dur » à forte teneur en styrène n’est pas propice à la survie des cyanobactéries.Contrairement à l'acrylate de butyle, le styrène est considéré comme toxique pour les algues32,33.Les souches de cyanobactéries ont réagi très différemment au latex et la température de transition vitreuse optimale (Tg) a été déterminée pour S. elongatus PCC 7942, tandis que S. elongatus CCAP 1479/1A a montré une relation linéaire négative avec la Tg.
La température de séchage affecte la capacité à former un film de latex uniforme et continu.Si la température de séchage est inférieure à la température minimale de formation de film (MFFT), les particules de latex polymère ne fusionneront pas complètement, ce qui entraînera une adhésion uniquement à l'interface des particules.Les films obtenus ont une adhérence et une résistance mécanique médiocres et peuvent même se présenter sous forme de poudre29.La MFFT est étroitement liée à la Tg, qui peut être contrôlée par la composition des monomères et l'ajout de coalescents tels que le Texanol.La Tg détermine bon nombre des propriétés physiques du revêtement résultant, qui peut être à l’état caoutchouteux ou vitreux34.Selon l'équation de Flory-Fox35, la Tg dépend du type de monomère et de la composition relative en pourcentage.L'ajout de coalescent peut abaisser le MFFT par suppression intermittente de la Tg des particules de latex, ce qui permet la formation d'un film à des températures plus basses, mais forme néanmoins un revêtement dur et résistant car le coalescent s'évapore lentement avec le temps ou a été extrait 36 .
L'augmentation de la concentration de Texanol favorise la formation du film en ramollissant les particules de polymère (réduction de la Tg) en raison de l'absorption par les particules lors du séchage, augmentant ainsi la force du film cohésif et l'adhésion cellulaire.Étant donné que le biocomposite est séché à température ambiante (~18 à 20 °C), la Tg (30 à 55 °C) du latex « dur » est supérieure à la température de séchage, ce qui signifie que la coalescence des particules peut ne pas être optimale, ce qui entraîne Les films B qui restent vitreux, de mauvaises propriétés mécaniques et adhésives, une élasticité et une diffusivité limitées30 conduisent finalement à une perte cellulaire plus importante.La formation de film à partir de polymères « normaux » et « mous » se produit à une Tg égale ou inférieure à la Tg du film polymère, et la formation de film est améliorée par une coalescence améliorée, ce qui donne lieu à des films polymères continus présentant des propriétés mécaniques, cohésives et adhésives améliorées.Le film résultant restera caoutchouteux lors des expériences de capture du CO2 car sa Tg est proche de la température ambiante (mélange « normal » : 12 à 20 ºC) ou bien inférieure (mélange « doux » : -21 à -13 °C) .Le latex « dur » (3,4 à 2,9 kgf mm–1) est trois fois plus dur que le latex « normal » (1,0 à 0,9 kgf mm–1).La dureté des latex « mous » ne peut pas être mesurée par la microdureté en raison de leur caractère caoutchouteux et collant excessif à température ambiante.La charge de surface peut également affecter l’affinité d’adhésion, mais davantage de données sont nécessaires pour fournir des informations significatives.Cependant, tous les latex retenaient efficacement les cellules, en libérant moins de 1 %.
La productivité de la photosynthèse diminue avec le temps.L'exposition au polystyrène entraîne une rupture de la membrane et un stress oxydatif38,39,40,41.Les valeurs Fv/Fm de S. elongatus CCAP 1479/1A exposées à 0S et 4S étaient presque deux fois plus élevées par rapport au contrôle en suspension, ce qui est en bon accord avec le taux d'absorption de CO2 du biocomposite 4S, ainsi qu'avec valeurs PS moyennes inférieures.valeurs.Des valeurs Fv/Fm plus élevées indiquent que le transport d’électrons vers le PSII peut fournir plus de photons42, ce qui peut entraîner des taux de fixation de CO2 plus élevés.Cependant, il convient de noter que les données photophysiologiques ont été obtenues à partir de cellules en suspension dans des solutions aqueuses de latex et ne sont pas nécessairement directement comparables aux biocomposites matures.
Si le latex crée une barrière à la lumière et/ou aux échanges gazeux, entraînant une restriction de la lumière et du CO2, il peut provoquer un stress cellulaire et réduire les performances, et s'il affecte la libération d'O2, la photorespiration39.La transmission lumineuse des revêtements durcis a été évaluée : les latex « durs » ont montré une légère diminution de la transmission lumineuse entre 440 et 480 nm (améliorée en partie par l'augmentation de la concentration de Texanol grâce à une meilleure coalescence du film), tandis que les latex « doux » et « réguliers « Le latex a montré une légère diminution de la transmission lumineuse.ne montre aucune perte notable de perte.Les tests, ainsi que toutes les incubations, ont été effectués à faible intensité lumineuse (30,5 µmol m-2 s-1), de sorte que tout rayonnement photosynthétiquement actif dû à la matrice polymère sera compensé et pourra même être utile pour prévenir la photoinhibition.à des intensités lumineuses dommageables.
Le biocomposite CCAP 1479/1A a fonctionné pendant les 84 jours d’essai, sans renouvellement des éléments nutritifs ni perte significative de biomasse, ce qui constitue un objectif clé de l’étude.La dépigmentation cellulaire peut être associée à un processus de chlorose en réponse à un manque d'azote pour atteindre une survie à long terme (état de repos), ce qui peut aider les cellules à reprendre leur croissance une fois qu'une accumulation suffisante d'azote a été obtenue.Les images SEM ont confirmé que les cellules restaient à l'intérieur du revêtement malgré la division cellulaire, démontrant l'élasticité du latex « doux » et montrant ainsi un net avantage par rapport à la version expérimentale.Le latex « mou » contient environ 70 % d’acrylate de butyle (en poids), ce qui est bien supérieur à la concentration indiquée pour un revêtement souple après séchage44.
L'absorption nette de CO2 était significativement supérieure à celle de la suspension témoin (14 à 20 et 3 à 8 fois supérieure pour S. elongatus CCAP 1479/1A et PCC 7942, respectivement).Auparavant, nous avons utilisé un modèle de transfert de masse de CO2 pour montrer que le principal facteur d'absorption élevée de CO2 est un fort gradient de concentration de CO2 à la surface du biocomposite31 et que les performances du biocomposite peuvent être limitées par la résistance au transfert de masse.Ce problème peut être surmonté en incorporant des ingrédients non toxiques et non filmogènes dans le latex pour augmenter la porosité et la perméabilité du revêtement26, mais la rétention cellulaire peut être compromise car cette stratégie entraînera inévitablement un film plus faible20.La composition chimique peut être modifiée lors de la polymérisation pour augmenter la porosité, ce qui constitue la meilleure option, notamment en termes de production industrielle et d’évolutivité45.
Les performances du nouveau biocomposite par rapport aux études récentes utilisant des biocomposites issus de microalgues et de cyanobactéries ont montré des avantages dans l'ajustement du taux de chargement cellulaire (Tableau 1)21,46 et avec des temps d'analyse plus longs (84 jours contre 15 heures46 et 3 semaines21).
La teneur volumétrique en glucides dans les cellules se compare favorablement à d’autres études47,48,49,50 utilisant des cyanobactéries et est utilisée comme critère potentiel pour les applications de captage et d’utilisation/récupération du carbone, comme pour les processus de fermentation BECCS49,51 ou pour la production de substances biodégradables. bioplastiques52 .Dans le cadre de la justification de cette étude, nous supposons que le boisement, même pris en compte dans le concept d'émissions négatives du BECCS, n'est pas une panacée contre le changement climatique et consomme une part alarmante des terres arables mondiales6.À titre expérimental, il a été estimé qu’il faudrait éliminer de l’atmosphère entre 640 et 950 GtCO2 d’ici 2100 pour limiter l’augmentation de la température mondiale à 1,5°C53 (environ 8 à 12 GtCO2 par an).Y parvenir avec un biocomposite plus performant (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 de biomasse par an-1) nécessiterait une expansion du volume de 5,5 × 1010 à 8,2 × 1010 m3 (avec une efficacité photosynthétique comparable), contenant de 196 à 2,92 milliards de litres de polymère.En supposant que 1 m3 de biocomposites occupe 1 m2 de superficie de terrain, la superficie nécessaire pour absorber le CO2 total annuel cible sera comprise entre 5,5 et 8,17 millions d'hectares, ce qui équivaut à 0,18 à 0,27 % de la surface utile pour la vie des terres du pays. tropiques et réduire la superficie des terres émergées.besoin de BECCS de 98 à 99 %.Il est à noter que le taux de capture théorique est basé sur l’absorption du CO2 enregistrée en basse lumière.Dès que le biocomposite est exposé à une lumière naturelle plus intense, le taux d’absorption de CO2 augmente, réduisant encore davantage les besoins en terres et faisant pencher davantage la balance vers le concept de biocomposite.Cependant, la mise en œuvre doit se faire à l'équateur pour une intensité et une durée de rétroéclairage constantes.
L’effet global de la fertilisation par le CO2, c’est-à-dire l’augmentation de la productivité de la végétation provoquée par une disponibilité accrue de CO2, a diminué sur la plupart des zones terrestres, probablement en raison de modifications des principaux éléments nutritifs du sol (N et P) et des ressources en eau7.Cela signifie que la photosynthèse terrestre pourrait ne pas entraîner une augmentation de l’absorption de CO2, malgré des concentrations élevées de CO2 dans l’air.Dans ce contexte, les stratégies terrestres d’atténuation du changement climatique telles que le BECCS ont encore moins de chances de réussir.Si ce phénomène mondial se confirme, notre biocomposite inspiré du lichen pourrait être un atout clé, transformant les microbes photosynthétiques aquatiques unicellulaires en « agents terrestres ».La plupart des plantes terrestres fixent le CO2 grâce à la photosynthèse C3, tandis que les plantes C4 sont plus favorables aux habitats plus chauds et plus secs et sont plus efficaces à des pressions partielles de CO254 plus élevées.Les cyanobactéries offrent une alternative qui pourrait contrecarrer les prévisions alarmantes d’une exposition réduite au dioxyde de carbone dans les plantes C3.Les cyanobactéries ont surmonté les limitations photorespiratoires en développant un mécanisme efficace d'enrichissement en carbone dans lequel des pressions partielles plus élevées de CO2 sont présentées et maintenues par la ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase (RuBisCo) au sein des carboxysomes environnants.Si la production de biocomposites cyanobactériens pouvait être augmentée, cela pourrait devenir une arme importante pour l’humanité dans la lutte contre le changement climatique.
Les biocomposites (imitant les lichens) offrent des avantages évidents par rapport aux cultures conventionnelles en suspension de microalgues et de cyanobactéries, offrant des taux d'absorption de CO2 plus élevés, minimisant les risques de pollution et promettant un évitement compétitif du CO2.Les coûts réduisent considérablement l’utilisation des terres, de l’eau et des nutriments56.Cette étude démontre la faisabilité du développement et de la fabrication d'un latex biocompatible haute performance qui, lorsqu'il est combiné avec une éponge de luffa comme substrat candidat, peut assurer une absorption efficace et efficiente du CO2 pendant des mois de chirurgie tout en minimisant la perte cellulaire.Les biocomposites pourraient théoriquement capter environ 570 t CO2 t-1 de biomasse par an et pourraient s'avérer plus importants que les stratégies de boisement BECCS dans notre réponse au changement climatique.Avec une optimisation plus poussée de la composition du polymère, des tests à des intensités lumineuses plus élevées et une ingénierie métabolique élaborée, les biogéoingénieurs originaux de la nature peuvent une fois de plus venir à la rescousse.
Des polymères de latex acrylique ont été préparés en utilisant un mélange de monomères de styrène, d'acrylate de butyle et d'acide acrylique, et le pH a été ajusté à 7 avec de l'hydroxyde de sodium 0,1 M (tableau 2).Le styrène et l'acrylate de butyle constituent l'essentiel des chaînes polymères, tandis que l'acide acrylique contribue à maintenir les particules de latex en suspension57.Les propriétés structurelles du latex sont déterminées par la température de transition vitreuse (Tg), qui est contrôlée en modifiant le rapport entre le styrène et l'acrylate de butyle, qui confère respectivement des propriétés « dures » et « douces »58.Un polymère de latex acrylique typique est un mélange 50:50 de styrène: acrylate de butyle 30, donc dans cette étude, le latex avec ce rapport a été appelé latex « normal », et le latex avec une teneur en styrène plus élevée a été appelé latex avec une teneur en styrène plus faible. .appelé « doux » comme « dur ».
Une émulsion primaire a été préparée en utilisant de l'eau distillée (174 g), du bicarbonate de sodium (0,5 g) et du tensioactif Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) pour stabiliser les 30 gouttelettes de monomère.À l'aide d'une seringue en verre (Science Glass Engineering) équipée d'un pousse-seringue, une aliquote secondaire contenant du styrène, de l'acrylate de butyle et de l'acide acrylique répertoriés dans le tableau 2 a été ajoutée goutte à goutte à raison de 100 ml h-1 à l'émulsion primaire pendant 4 heures (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Préparer une solution d’initiateur de polymérisation 59 en utilisant du dHO et du persulfate d’ammonium (100 ml, 3 % p/p).
Remuer la solution contenant du dHO (206 g), du bicarbonate de sodium (1 g) et du Rhodapex Ab/20 (4,42 g) à l'aide d'un agitateur suspendu (valeur Heidolph Hei-TORQUE 100) avec une hélice en acier inoxydable et chauffer à 82°C dans un récipient à chemise d'eau dans un bain-marie chauffé VWR Scientific 1137P.Une solution de poids réduit de monomère (28,21 g) et d'initiateur (20,60 g) a été ajoutée goutte à goutte au récipient à double enveloppe et agitée pendant 20 minutes.Mélanger vigoureusement les solutions restantes de monomère (150 ml h-1) et d'initiateur (27 ml h-1) pour maintenir les particules en suspension jusqu'à ce qu'elles soient ajoutées à la chemise d'eau pendant 5 h à l'aide de seringues de 10 ml et 100 ml respectivement dans un récipient. .complété par un pousse-seringue.La vitesse de l'agitateur a été augmentée en raison de l'augmentation du volume de la boue afin d'assurer sa rétention.Après avoir ajouté l'initiateur et l'émulsion, la température de réaction a été augmentée à 85°C, bien agitée à 450 tr/min pendant 30 minutes, puis refroidie à 65°C.Après refroidissement, deux solutions de déplacement ont été ajoutées au latex : de l'hydroperoxyde de tert-butyle (t-BHP) (70 % dans l'eau) (5 g, 14 % en poids) et de l'acide isoascorbique (5 g, 10 % en poids)..Ajouter le t-BHP goutte à goutte et laisser agir 20 minutes.L'acide érythorbique a ensuite été ajouté à raison de 4 ml/h à partir d'une seringue de 10 ml à l'aide d'un pousse-seringue.La solution de latex a ensuite été refroidie à température ambiante et ajustée à pH 7 avec de l'hydroxyde de sodium 0,1 M.
Le monoisobutyrate de 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol (Texanol) – coalescent biodégradable à faible toxicité pour les peintures au latex 37,60 – a été ajouté avec une seringue et une pompe en trois volumes (0, 4, 12 % v/v). comme agent coalescent pour le mélange de latex pour faciliter la formation du film pendant le séchage37.Le pourcentage de matières solides du latex a été déterminé en plaçant 100 µl de chaque polymère dans des bouchons en feuille d'aluminium pré-pesés et en les séchant dans une étuve à 100 °C pendant 24 heures.
Pour la transmission de la lumière, chaque mélange de latex a été appliqué sur une lame de microscope à l'aide d'un cube en gouttes d'acier inoxydable calibré pour produire des films de 100 µm et séché à 20 °C pendant 48 heures.La transmission de la lumière (focalisée sur le rayonnement photosynthétiquement actif, λ 400–700 nm) a été mesurée sur un spectroradiomètre ILT950 SpectriLight avec un capteur situé à une distance de 35 cm d'une lampe fluorescente de 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) - où la lumière la source était des cyanobactéries et des organismes. Les matériaux composites sont préservés.La version 3.5 du logiciel SpectrILight III a été utilisée pour enregistrer l'éclairement et la transmission dans la plage λ 400–700 nm61.Tous les échantillons ont été placés au-dessus du capteur et des lames de verre non revêtues ont été utilisées comme contrôles.
Des échantillons de latex ont été ajoutés à un plat allant au four en silicone et laissés sécher pendant 24 heures avant d'être testés pour leur dureté.Placez l’échantillon de latex séché sur un capuchon en acier sous un microscope x10.Après focalisation, les échantillons ont été évalués sur un testeur de microdureté Buehler Micromet II.L'échantillon a été soumis à une force de 100 à 200 grammes et le temps de chargement a été réglé à 7 secondes pour créer une bosse de diamant dans l'échantillon.L'impression a été analysée à l'aide d'un objectif de microscope Bruker Alicona × 10 avec un logiciel de mesure de forme supplémentaire.La formule de dureté Vickers (équation 1) a été utilisée pour calculer la dureté de chaque latex, où HV est le nombre Vickers, F est la force appliquée et d est la moyenne des diagonales d'indentation calculées à partir de la hauteur et de la largeur du latex.valeur de retrait.Le latex « mou » ne peut pas être mesuré en raison de l’adhérence et de l’étirement lors du test d’indentation.
Pour déterminer la température de transition vitreuse (Tg) de la composition de latex, des échantillons de polymère ont été placés dans des boîtes de gel de silice, séchés pendant 24 heures, pesés à 0,005 g et placés dans des boîtes à échantillons.La boîte a été recouverte et placée dans un colorimètre à balayage différentiel (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, logiciel d'analyse de données Pyris)62.La méthode du flux de chaleur est utilisée pour placer des coupelles de référence et des coupelles d'échantillon dans le même four avec une sonde de température intégrée pour mesurer la température.Au total, deux rampes ont été utilisées pour créer une courbe cohérente.La méthode d'échantillonnage a été augmentée à plusieurs reprises de -20°C à 180°C à une vitesse de 20°C par minute.Chaque point de début et de fin est stocké pendant 1 minute pour tenir compte du décalage de température.
Pour évaluer la capacité du biocomposite à absorber le CO2, des échantillons ont été préparés et testés de la même manière que dans notre précédente étude31.Le gant de toilette séché et autoclavé a été découpé en bandes d'environ 1 x 1 x 5 cm et pesé.Appliquer 600 µl des deux biorevêtements les plus efficaces de chaque souche de cyanobactérie à une extrémité de chaque bande de luffa, couvrant environ 1 × 1 × 3 cm, et sécher dans l'obscurité à 20 °C pendant 24 heures.En raison de la structure macroporeuse du luffa, une partie de la formule était gaspillée, de sorte que l'efficacité de chargement des cellules n'était pas de 100 %.Pour surmonter ce problème, le poids de la préparation sèche sur le luffa a été déterminé et normalisé par rapport à la préparation sèche de référence.Des contrôles abiotiques constitués de luffa, de latex et d'un milieu nutritif stérile ont été préparés de la même manière.
Pour effectuer un test d'absorption de CO2 en demi-lot, placez le biocomposite (n = 3) dans un tube en verre de 50 ml de manière à ce qu'une extrémité du biocomposite (sans le biorevêtement) soit en contact avec 5 ml de milieu de croissance, permettant ainsi au nutriment de pénétrer. être transporté par capillarité..Le flacon est fermé par un bouchon en caoutchouc butyle d'un diamètre de 20 mm et serti d'un capuchon en aluminium argenté.Une fois scellé, injecter 45 ml de CO2/air à 5 % avec une aiguille stérile fixée à une seringue étanche aux gaz.La densité cellulaire de la suspension témoin (n = 3) était équivalente à la charge cellulaire du biocomposite dans le milieu nutritif.Les tests ont été réalisés à 18 ± 2 °C avec une photopériode de 16:8 et une photopériode de 30,5 µmol m-2 s-1.L'espace libre a été prélevé tous les deux jours avec une seringue étanche aux gaz et analysé avec un compteur de CO2 à absorption infrarouge GEOTech G100 pour déterminer le pourcentage de CO2 absorbé.Ajoutez un volume égal de mélange gazeux CO2.
Le % CO2 Fix est calculé comme suit : % CO2 Fix = 5 % (v/v) – écrivez %CO2 (équation 2) où P = pression, V = volume, T = température et R = constante des gaz parfaits.
Les taux d'absorption de CO2 signalés pour les suspensions témoins de cyanobactéries et de biocomposites ont été normalisés par rapport aux témoins non biologiques.L'unité fonctionnelle de g de biomasse est la quantité de biomasse sèche immobilisée sur le gant de toilette.Elle est déterminée en pesant des échantillons de luffa avant et après la fixation cellulaire.Comptabilisation de la masse de charge cellulaire (équivalent biomasse) en pesant individuellement les préparations avant et après séchage et en calculant la densité de la préparation cellulaire (équation 3).Les préparations cellulaires sont supposées homogènes lors de la fixation.
Minitab 18 et Microsoft Excel avec le complément RealStatistics ont été utilisés pour l'analyse statistique.La normalité a été testée à l’aide du test d’Anderson-Darling et l’égalité des variances à l’aide du test de Levene.Les données satisfaisant ces hypothèses ont été analysées à l'aide d'une analyse de variance bidirectionnelle (ANOVA) avec le test de Tukey comme analyse post hoc.Les données bidirectionnelles qui ne répondaient pas aux hypothèses de normalité et d'égalité de variance ont été analysées à l'aide du test de Shirer-Ray-Hara, puis du test U de Mann-Whitney pour déterminer la signification entre les traitements.Des modèles mixtes linéaires généralisés (GLM) ont été utilisés pour les données non normales à trois facteurs, où les données ont été transformées à l'aide de la transformée de Johnson63.Des corrélations de moments des produits Pearson ont été effectuées pour évaluer la relation entre la concentration de Texanol, la température de transition vitreuse et les données de toxicité et d'adhésion du latex.
Heure de publication : 05 janvier 2023