Наука всегда была основным инструментом поисков ответов на вопросы обо всем, что нас окружает. Помимо этого, наука становится первопроходцем когда речь заходит о поисках нового чего-либо: новых источниках энергии, новых лекарств, новых материалов и т. д. Список можно продолжать очень долго, ведь общество, технологии и, как следствие, потребности развиваются, тем самым порождая необходимость в более эффективных, производительных, экологичных системах. Говоря о материалах, ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали новый и весьма необычный материал, который буквально живет свое жизнью и растет, в процессе поглощая CO₂. Из чего сделан этот материал, как именно он функционирует, и где может применяться? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Биологические экосистемы, такие как леса, водные системы и водно-болотные угодья, предлагают эффективные пути для связывания углерода (хранения углерода в углеродном пуле) и преобразования в материалы на основе углерода. Природные системы функционируют в условиях окружающей среды с солнечным светом и общедоступными малыми молекулами в качестве их единственных входных ресурсов. Кроме того, живые системы могут чувствовать, самовосстанавливаться и реагировать на свое окружение, что делает их устойчивыми к изменениям окружающей среды. Биологическое связывание углерода, например, посредством лесонасаждения или роста морского фитопланктона и водорослей, также является экономически эффективным и экологически безопасным. В этом контексте естественное связывание углерода может служить пассивным, малоэффективным дополнением к промышленному связыванию углерода, которое обычно требует особых, энергоемких условий и близости к крупным источникам выбросов. Однако естественное связывание углерода, как правило, происходит медленнее, чем промышленное, и контроль живых систем за пределами их естественной среды часто является сложной задачей.

Стратегии по проектированию живых систем для активного связывания CO₂ могли бы обеспечить дополнительный подход к смягчению накопления CO₂, вырабатываемого человеком, в атмосфере. Механизм концентрации CO₂ многих фотосинтетических микроорганизмов накапливает CO₂ в теле клетки до 1000 раз выше уровней окружающей среды. Впоследствии концентрированный углерод может быть зафиксирован в форме биомассы, образующейся во время роста. В дополнение к производству биомассы, микробно-индуцированное осаждение карбонатов (MICP от microbially-induced carbonate precipitation) у некоторых видов может необратимо связывать CO₂ в форме неорганических карбонатных осадков. MICP протекает через несколько метаболических путей, включая уреолиз, восстановление сульфата и денитрификацию. У некоторых организмов MICP может возникать как прямой побочный продукт фотосинтеза, при этом неорганические осадки эффективно действуют как дополнительный поглотитель углерода, обеспечивая двойное связывание углерода. В этом контексте иммобилизация фотосинтетических микроорганизмов, таких как водоросли и цианобактерии, в поддерживающей матрице может обеспечить подход к биологическому связыванию CO₂ в форме сконструированных фотосинтетических живых материалов посредством двойного связывания углерода.

На сегодняшний день инженерные живые материалы в основном используются для применения в биомедицине, производстве устойчивых материалов и в качестве живых строительных материалов. Например, MICP использовался, в основном посредством уреолиза, для механического укрепления живых материалов на основе образования in situ жесткой минеральной фазы. Прочные композиты были получены путем биоминерализации с использованием уреолитического MICP в целлюлозной матрице. Аналогичным образом, осадки, отложенные в пористых материалах, заполняли трещины и улучшали механические свойства композитных строительных конструкций, а также консолидированных грунтов. Уреолитический MICP привлекателен из-за своего короткого инкубационного периода (обычно 1–4 дня), устойчивости к загрязнению и быстрой биоминерализации; однако он создает существенные экологические проблемы из-за сопутствующего производства больших количеств аммиака. Кроме того, уреолитический MICP требует постоянного снабжения мочевиной и действует только в узком диапазоне условий окружающей среды. Эти проблемы ограничивают использование уреолитического MICP для долгосрочного связывания CO₂.

Многие из этих ограничений можно устранить с помощью фотосинтетического MICP, который не требует дополнительного сырья и не производит токсичных побочных продуктов. Недавно фотосинтетический MICP использовался для разработки живых строительных материалов, которые были укреплены минерализацией с течением времени. В то время как фотосинтетические живые материалы были исследованы на предмет связывания углерода посредством обратимого накопления биомассы, они не были исследованы на предмет связывания CO₂ посредством накопления биомассы и необратимого MICP с использованием атмосферного CO₂ в качестве основного источника углерода и света в качестве единственного источника энергии.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые спроектировали фотосинтетические живые материалы для двойной секвестрации CO₂ путем иммобилизации фотосинтетического штамма Cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002, способного к MICP, в полимерной сети на основе печатного Pluronic F-127 (F127). Двойная секвестрация углерода посредством генерации биомассы и образования нерастворимого карбоната происходит в течение жизненного цикла (более одного года) биопечатных структур. Минеральная фаза механически укрепляет живые материалы и сохраняет секвестрированный углерод в более стабильной форме.

Результаты исследования

Изображение №1

Были разработаны фотосинтетические живые материалы для двойной секвестрации углерода посредством механизма концентрации углерода штамма цианобактерии PCC 7002 (1a). Двойная секвестрация CO₂ происходит как посредством обратимого накопления биомассы, так и посредством необратимого осаждения минералов. Для того чтобы произошла концентрация углерода, CO₂ из окружающей среды растворяется в водных растворах и образует ионы бикарбоната (HCO₃⁻), которые затем транспортируются в карбоксисому морской β-цианобактерии 7002. Внутри карбоксисомы карбоангидраза (CA от carbonic anhydrase) катализирует превращение бикарбоната в CO₂, который затем фиксируется рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазой/оксигеназой (RuBisCo) во время фотосинтеза в две молекулы 3-фосфоглицерата. Этот продукт ферментативно преобразуется в сахара, которые поддерживают рост клеток и производство биомассы, представляя собой обратимую часть связывания CO₂.

Необратимая секвестрация CO₂ в виде осаждения минералов происходит вне клеток, вблизи цианобактерий. Отрицательно заряженные внеклеточные полисахариды на бактериальной мембране в сочетании с подходящей внеклеточной средой (щелочной pH, наличие двухвалентных катионов) способствуют зародышеобразованию и образованию нерастворимых карбонатов. Таким образом, при культивировании фотосинтетических живых материалов в имитированной морской воде, содержащей Ca²⁺ и Mg²⁺, увеличение pH среды, которое произошло в образцах, содержащих цианобактерии, позволяет CO₃²⁻ в среде необратимо фиксироваться в карбонаты кальция или магния. Затем химическое равновесие благоприятствует растворению дополнительного атмосферного CO₂ в культуральной среде, непрерывно управляя двойным стоком углерода.

Цианобактерии PCC 7002 были инкапсулированы в гидрогелевую матрицу для изготовления фотосинтетических живых материалов, способных к двойной секвестрации углерода (1b). Синтетический полимерный гидрогель на основе Pluronic F-127 (F127) был выбран для инкапсуляции цианобактерий из-за его биоинертной природы и универсальности обработки. Гидрогели на основе F127 использовались при разработке инженерных живых материалов из-за легкой диффузии через него большинства малых молекул. Функционализированный F127-бис уретанметакрилат (F127-BUM) может быть фотосшит либо после печати, либо обработан непосредственно с помощью аддитивного производства на основе света для долгосрочной структурной стабильности (1c). Для того чтобы структурировать фотосинтетические живые материалы с помощью цифрового производства, были разработаны биочернила (13.2% по весу F127 и 7.3% по весу F127-BUM), которые поддерживали высокую жизнеспособность инкапсулированного PCC 7002 и пригодность для печати посредством прямого письма чернилами и аддитивного производства на основе света. Рационально спроектированная гидрогелевая сеть обеспечивает доступ света в каркас, тем самым обеспечивая однородный рост бактерий по всей структуре.

Прозрачность биочернил необходима для эффективного пропускания света для управления фотосинтезом. Ослабление света из-за поглощения и рассеивания внутри биочернил является одной из основных проблем, которую необходимо преодолеть при выращивании инкапсулированных фотосинтетических видов. Гидрогель на основе F127 пропускал свет (76 ± 3%) во всем видимом диапазоне длин волн (400–750 нм); среда BG11–ASNIII, используемая для культивирования PCC 7002, имела пропускание 95 ± 4% в том же диапазоне (1d). Добавление фотоинициатора литийфенил-2,4,6-триметилбензоилфосфината (LAP), который поглощает свет ниже 420 нм, снизило пропускание только на низких длинах волн, которые не имеют отношения к фотосинтезу PCC 7002. Инкапсуляция цианобактерий снизила пропускание конечной конструкции до 28 ± 8% и 31 ± 9% до и после сшивания соответственно из-за рассеивания и продуктивного поглощения света фотосинтетическими бактериями. В целом оптические свойства фотосинтетического живого материала были подходящими для обеспечения жизнеспособности и роста цианобактерий при инкапсуляции в гидрогель на основе F127.

Для структурирования фотосинтетических живых материалов для улучшенного связывания углерода и долговечности был разработан гидрогель на основе F127 как для прямого письма чернилами, так и для светового аддитивного производства. Чернила показали истончение при сдвиге и упругое восстановление (~90%) после сильного сдвига, что демонстрирует их пригодность для экструзионной печати. Для стабилизации печатных структур для долгосрочного использования смесь гидрогелей была фотосшита (λ = 405 нм; I = 8 мВт/см²; t = 60 с) для увеличения конечного модуля упругости (G′) конструкции (1c, 1e).


Изображение №2

Двойная секвестрация CO₂ в фотосинтетических живых материалах была обеспечена ростом биомассы PCC 7002 и образованием нерастворимого карбонатного осадка посредством MICP. Для дальнейшего изучения обоих аспектов секвестрации углерода были напечатаны однородные круглые образцы (V_sample = 40 мкл, d = 10 мм, толщина l = 0.5 мм) с использованием конических сопел 22G (Ø= 0.41 мм) путем прямой чернильной печати и инкубированы в течение 30 дней (2a). Во время инкубации среда BG11–ASNIII менялась каждые 5 дней, и растворенный неорганический углерод (DIC от dissolved inorganic carbon) количественно определялся в собранных образцах. С 5-го дня концентрация Ca²⁺ в среде была установлена на уровне 8.65 мМ посредством добавления CaCl₂ для имитации естественных условий морской воды, которые способствуют MICP. 40.4 мг/л (0.38 мМ) Na₂CO₃ было растворено в среде для имитации естественной морской воды. Анализ общего DIC при равновесии в культуральной среде показал, что содержание DIC было выше или на уровне количества неорганического углерода, изначально растворенного в форме CO₃²⁻. Это увеличение DIC подтвердило растворение атмосферного CO₂, который вместе с растворенным Na₂CO₃ в имитированной морской среде служил источником углерода для секвестрации CO₂.

Рост биомассы PCC 7002 в живом материале для захвата CO₂ оценивали с помощью флуоресцентной микроскопии (подсчета клеток) и экстракции хлорофилла (2b). После 10 дней инкубации образцы демонстрировали видимые кластеры клеток PCC 7002, а также множество отдельных клеток по всему объему матрицы гидрогеля. Количество кластеров и отдельных клеток на единицу объема живого материала (обозначаемое как mL_gel) увеличивалось с течением времени, при этом концентрация клеток достигала 5 × 10⁹ клеток / mL_gel через 30 дней (2d). Кроме того, выбор начальной OD_730nm в диапазоне 0.3–1.6 не влиял на рост клеток. Более того, большинство инкапсулированных бактерий оставались внутри гидрогеля на протяжении всей инкубации в биотических образцах. По оценкам ученых, через 30 дней накопление биомассы достигнет псевдоустойчивого состояния (с аналогичными темпами гибели и роста клеток), исходя из плато, наблюдаемого в концентрации клеток после 25-го дня.

Для подтверждения секвестрации CO₂ посредством образования нерастворимых карбонатных осадков с помощью MICP, осадки визуализировали с помощью окрашивания кальцием. В присутствии двухвалентных ионов, таких как Ca²⁺ и Mg²⁺, цианобактерии проходят процесс биоминерализации с образованием гипса, кальцита и магнезита. Было подтверждено накопление Ca²⁺ в гидрогелях с помощью окрашивания ализарином красным S (2c). На 0-й день абиотические и биотические образцы были в основном оранжевыми после окрашивания зелеными клетками PCC 7002, видимыми в биотических образцах, что указывает на минимальное накопление Ca²⁺ изначально. Абиотические образцы оставались оранжевыми в течение 30-дневной инкубации. Биотические образцы окрасились в красный цвет к 10-му дню, что указывает на накопление Ca²⁺ во всем объеме гидрогеля, а темно-красный цвет наблюдался вокруг растущих скоплений бактерий с течением времени. Из анализа окрашивания ализариновым красным S было видно, что количество осадков было эквивалентно > 1 мг CaCO₃ / mL_gel уже через 10 дней (2e). Оно достигло 4.8 ± 2 мг к концу 30-дневного периода.

Для оценки количества биомассы и образования осадков измерялась и сравнивалась масса абиотических и биотических образцов (2e). Первоначальное уменьшение массы образца было приписано диффузии нефункционализированного полимера F127 из напечатанных дисков, что также вызвало высокую изменчивость данных в первый и пятый дни. В течение инкубационного периода в 30 дней биотические образцы имели примерно на 36% больше сухой массы, чем контрольные абиотические образцы, при этом значительное увеличение сухой массы наблюдалось с 10-го дня инкубации. В общей сложности биомасса и карбонатные осадки в биотических образцах составили примерно 45% от конечной массы образца.

Для количественной оценки степени образования осадков органическая биомасса и полимерная матрица были удалены путем термического разложения. Поскольку температура (T = 600 °C) была выше температуры разложения органического вещества (полимера и биомассы) и ниже температуры разложения карбонатных соединений, после термического разложения остались только нерастворимые карбонатные осадки. Масса неорганических осадков соответствовала 50 мкмоль (2.2 ± 0.9 мг) CO₂, секвестрированного посредством MICP на грамм гидрогеля. CO₂, секвестрированный посредством MICP, был сохранен в более стабильной минеральной форме.


Изображение №3

Продемонстрировав, что фотосинтетические живые материалы способны к секвестрации CO₂ как посредством накопления биомассы, так и посредством образования карбоната, ученые дополнительно исследовали состав минеральной фазы, полученной во время инкубации. MICP приводит к образованию кристаллических карбонатов, которые различаются по стабильности и растворимости, причем кальцит является наиболее стабильным полиморфом и, следовательно, желателен для целей поглощения углерода (3a).

Анализ TGA подтвердил наличие карбоната в осадках (3b), что было дополнительно подтверждено FTIR. Анализ XRD осадков в биотических образцах выявил высококристаллическую структуру с основными пиками, соответствующими карбонатам кальция и магния, на что указывает положение основного дифракционного пика, представляющего плоскость (104). Наблюдаемый сдвиг, вероятно, указывает на изменение состава из-за включения магния в структуру карбоната, как ранее наблюдалось в морской среде, и, в данном случае, из-за использования имитированной морской воды (среда ASNIII). Рентгеновская дифракция была получена после термического разложения (T = 600 °C, что ниже температуры разложения CaCO₃), поскольку сигнал от матрицы на основе F127 был намного сильнее, чем сигнал осадков до разложения.

Осадки были распределены по всей полимерной матрице (3c). Энергодисперсионный рентгеновский анализ показал, что в абиотической матрице в основном присутствуют углерод и кислород, тогда как пики кальция и магния были заметны в областях с осадками в биотических образцах. Элементное картирование подтвердило эти данные обогащением кальцием, магнием и кислородом в перекрывающихся областях вблизи скоплений цианобактерий, что предполагает перицеллюлярное образование карбонатов (3d). Анализ также показал, что атомное процентное отношение Ca к Mg в области осадков составляло 78 ± 5% к 22 ± 5% (количество проанализированных образцов n = 10), что подтвердило, что оба элемента были включены в осадки.

Образование осадков в гидрогелевых матрицах посредством MICP может усилить механические свойства материала. Модули накопления (G′) напечатанных биотических образцов на 2-й день эксперимента были немного ниже по сравнению с абиотическими образцами (5.4 ± 2 кПа и 6.7 ± 2 кПа соответственно). Значительное увеличение модулей накопления (G′) в случае биотических образцов наблюдалось уже через 10 дней. В течение 30 дней модуль значительно увеличился до 10.1 ± 1 кПа в биотическом случае, тогда как для абиотических образцов он не изменился (6.5 ± 1 кПа) (3e). Схожие результаты были получены для модулей Юнга (E) образцов с использованием испытаний на растяжение. Увеличение модуля было связано с образованием армирующих неорганических осадков, хотя увеличение биомассы также могло способствовать изменению модулей Юнга. Похожая тенденция наблюдалась для прочности материала. Через 30 дней прочность биотических образцов увеличилась с 960 ± 110 Дж/м³ на 2-й день до 1120 ± 200 Дж/м³ на 30-й день (3f).


Изображение №4

В то время как простые диски служили стандартизированной формой для системной характеристики фотосинтетических живых материалов, геометрия живых структур была адаптирована с помощью цифрового проектирования и изготовления для улучшения секвестрации CO₂ и долгосрочной жизнеспособности фотосинтетических живых материалов. Были разработаны 3D-решетчатые структуры с размерами стоек от 0.15 мм до 0.70 мм для облегчения транспортировки газа и питательных веществ в печатных конструкциях. Транспортировка газов и жидкой среды, а также доступ к свету необходимы для эффективного функционирования биологических процессов (включая поглощение углерода) в фотосинтетических живых материалах. Ожидается, что снижение проникновения света в течение жизненного цикла будет связано с увеличением поглощения и рассеивания света с увеличением биомассы, что приведет к снижению пролиферации в объемной фракции дальше от поверхности.

Черпая вдохновение из клеточной флюидики, ученые использовали решетчатую конструкцию для проектирования структур, в которых питательная среда пассивно транспортировалась вертикально через конструкцию с помощью капиллярных сил (4a). Таким образом, структура не нуждалась в полном погружении в имитируемую морскую воду, что сводило к минимуму использование среды и облегчало транспорт газа из окружающего воздуха в живой материал. Для достижения высокого разрешения и определенной внутренней пористости для изготовления решетчатых структур использовалась объемная 3D-печать на основе света. Объекты сантиметрового масштаба были напечатаны со сложной геометрией и оптическим разрешением 28 × 28 мкм в течение десятков секунд (4b). Напечатанная на 3D-принтере фотосинтетическая живая структура культивировалась более года, в течение которого она непрерывно производила хлорофилл и выполняла двойную секвестрацию углерода. После 30 дней инкубации структура смогла стоять вертикально на плоской поверхности, и жидкость активно втягивалась через внутреннюю структуру конструкции.

Напечатанный образец еще больше затвердел в течение длительной инкубации из-за накопления карбонатных осадков. Это механическое улучшение наблюдалось через возросшую способность структуры сохранять вертикальное положение на 30, 60, 120 и 365 день и конечный модуль 111 ± 7 кПа. За период инкубации в 400 дней живые структуры изолировали 26 ± 7 мг CO₂ на грамм гидрогелевого материала в виде карбонатных осадков. Эта культура фотосинтетических живых материалов показала, что двойная секвестрация углерода может происходить более 30 дней, особенно в рационально спроектированных 3D-структурах.

Для демонстрации масштабируемого производства фотосинтетических живых материалов была использована прямая чернильная печать для печати подобных решетчатых структур в большем масштабе. Была напечатана объемно-центрированная кубическая (BCC от body-centered cubic) решетчатая структура (длина элементарной ячейки l = 5 мм, диаметр стойки d = 0.12 мм). Структура пассивно перфузировала среду к верхней поверхности, будучи лишь частично погруженной в среду BG11–ASNIII. Через 60 дней инкубации решетка была термически разложена (T = 600 °C). Оставшиеся карбонатные осадки после термического разложения сохранили форму пористой решетчатой структуры (4c), что указывает на то, что секвестрация углерода была однородной по всей структуре, несмотря на частичное погружение в среду.

Этот живой материал также может быть использован на существующих поверхностях в качестве покрытий для двойной секвестрации углерода. Начиная с объемного материала, было обнаружено, что 5 мм является оптимальной толщиной материала для поддержания жизнеспособности PCC 7002 (0.5 г материала / см²). Чтобы максимизировать жизнеспособный объем материала на единицу площади поверхности, текстурированная поверхность была спроектирована как массив столбов 3 × 3 на основании 2 × 2 см, чтобы минимизировать самоэкранирование света аналогично структурам коралловых рифов. С помощью этой конструкции был увеличен объем напечатанного геля на 150%, сохранив ту же площадь в 1 см² (до 0.75 г материала / см²) и не ухудшив жизнеспособность бактерий по сравнению с объемным гидрогелем (4d). Этот результат дополнительно подчеркивает, как синергия между живыми материалами и дизайном живых структур может повысить эффективность двойной секвестрации углерода.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые представили новый живой материал, способный удалять CO₂ из воздуха.

В ходе исследования ученым удалось внедрить цианобактерии в структуру печатного геля, в результате чего был получен материал, который является живым, растет и активно удаляет углерод из воздуха. Материал можно формировать с помощью 3D-печати, и для его роста требуются только солнечный свет и искусственная морская вода с легкодоступными питательными веществами в дополнение к CO₂. Важной особенностью данного материала является двойная секвестрация углерода, т. е. фактически он может связывать его дважды, не только за счет органического роста, но и за счет минерализации.

Главные герои данного исследования, цианобактерии, очень эффективны в фотосинтезе и могут использовать даже самый слабый свет для производства биомассы из CO₂ и воды. В то же время бактерии изменяют свою химическую среду вне клетки в результате фотосинтеза, так что твердые карбонаты выпадают в осадок. Эти минералы представляют собой дополнительный поглотитель углерода и — в отличие от биомассы — сохраняют CO₂ в более стабильной форме.

Практические испытания показали, что материал непрерывно связывает CO₂ в течение 400 дней, большую часть в минеральной форме — около 26 миллиграммов CO₂ на грамм материала.

Авторы разработки считают, что их живой материал может быть низкоэнергетическим и экологически чистым дополнением к существующим химическим процессам для секвестрации углерода.

Разработка даже вышла в свет за пределы лаборатории и стала одним из экземпляров на выставке архитектуры в Венеции и Милане. Живой материал был использован для создания двух скульптур, одна из которых достигла высоты почти 3 метра. Благодаря цианобактериям каждая из них может связывать до 18 кг CO₂ в год — примерно столько же, сколько 20-летняя сосна в умеренной климатической зоне. Ознакомится с деталями выставки можно на сайте Picoplanktonics.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?