V neustálej snahe o zmiernenie narastajúcej koncentrácie CO2 v atmosfére, ktorú spôsobuje človek, sa objavujú inovatívne prístupy. Jeden takýto prístup zahŕňa vývoj fotosyntetických živých materiálov, ktoré ponúkajú potenciálne škálovateľné a nízkoudržbové riešenie pre duálnu sekvestráciu CO2. Na rozdiel od priemyselných metód, ktoré si často vyžadujú extrémne a energeticky náročné podmienky, tieto biologické systémy fungujú za okolitých podmienok s využitím slnečného svetla a bežne dostupných malých molekúl.

Čo sú fotosyntetické živé materiály?

Tieto materiály predstavujú inžinierske systémy, kde sú fotosyntetické mikroorganizmy, ako napríklad sinice (konkrétne kmeň Cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002), imobilizované v tlačiteľnej polymérovej sieti, konkrétne v hydrogéli na báze Pluronic F-127 (F127). Hydrogél F127 bol vybraný pre svoju bioin-inertnú povahu a spracovateľnosť, umožňujúcu ľahkú difúziu malých molekúl a dobrú priepustnosť svetla, čo je kľúčové pre fotosyntézu zapuzdrených druhov.

Duálna sekvestrácia uhlíka: Dva mechanizmy

Kľúčovou inováciou týchto živých materiálov je ich schopnosť duálnej sekvestrácie CO2 prostredníctvom dvoch hlavných mechanizmov:

• Akumulácia biomasy: Fotosyntetické mikroorganizmy, ako sú sinice, majú mechanizmus koncentrácie CO2, ktorý dokáže akumulovať CO2 v bunkovom tele až 1000-násobne nad úrovňou okolia. Následne sa tento koncentrovaný uhlík fixuje vo forme biomasy generovanej počas rastu buniek, čo predstavuje vratnú časť sekvestrácie CO2.
• Mikrobiálne indukovaná precipitácia uhličitanov (MICP): Okrem produkcie biomasy môžu určité druhy siníc nezvratne viazať CO2 vo forme anorganických uhličitanových zrazenín, ako sú uhličitany vápnika a horčíka. Tento proces prebieha mimo buniek, kde záporne nabité extracelulárne polysacharidy na bakteriálnej membráne spolu s vhodným extracelulárnym prostredím (zásadité pH, prítomnosť dvojmocných katiónov) uľahčujú nukleáciu a tvorbu nerozpustných uhličitanov. Tieto minerálne zrazeniny nielenže ukladajú viazaný uhlík v stabilnejšej forme, ale tiež mechanicky spevňujú živé materiály. Fotosyntetická MICP je atraktívna, pretože nevyžaduje žiadne dodatočné suroviny a neprodukuje toxické vedľajšie produkty, na rozdiel od iných MICP metód, ako je ureolytická MICP, ktorá produkuje amoniak.

Výroba a štrukturálny dizajn

Vedci používajú digitálny dizajn a aditívne výrobné prístupy, ako je priame písanie atramentom (direct ink writing) a svetlom riadená aditívna výroba, na štruktúrovanie fotosyntetických živých materiálov. Navrhujú 3D mriežkové štruktúry s veľkosťou vzpier medzi 0,15 mm a 0,70 mm, aby uľahčili transport plynov a živín a prístup svetla v tlačených konštrukciách. Napríklad, štruktúry inšpirované korálmi maximalizujú objem životaschopného materiálu na jednotku povrchovej plochy, čím zvyšujú účinnosť sekvestrácie CO2. Tieto digitálne navrhnuté štruktúry môžu byť kultivované viac ako rok, pričom nepretržite produkujú chlorofyl a vykonávajú duálnu sekvestráciu uhlíka.

Výsledky a výkon

Tieto fotosyntetické živé materiály preukázali významnú schopnosť sekvestrácie CO2. Dokázali viazať 2,2 ± 0,9 mg CO2 na gram hydrogélového materiálu za 30 dní a impozantných 26 ± 7 mg CO2 za 400 dní vo forme uhličitanových zrazenín. Toto dlhodobé kultivovanie ukázalo, že duálna sekvestrácia uhlíka môže prebiehať dlhšie ako 30 dní, najmä v racionálne navrhnutých 3D štruktúrach.

Mechanické vlastnosti materiálu sa tiež zlepšujú v priebehu času vďaka akumulácii uhličitanových zrazenín. Tuhosť a modul pružnosti (G‘) biogénnych vzoriek sa výrazne zvýšili počas 30-dňovej inkubácie, zatiaľ čo u abiotických vzoriek sa nezmenili. V porovnaní s inými iniciatívami na zachytávanie CO2, ako je chemická mineralizácia recyklovaných betónových agregátov (6,7 mg CO2 na gram), sú tieto fotosyntetické živé materiály s 26 ± 7 mg CO2 na gram materiálu konkurencieschopné a dokonca ich prekonávajú.

Potenciálne aplikácie a budúcnosť

Fotosyntetické živé materiály majú veľký potenciál pre široké spektrum aplikácií, vrátane uhlíkovo neutrálnej infraštruktúry, zmierňovania CO2, použitia ako povrchové nátery pre ekologické stavebné materiály alebo ako bioreaktory v komerčných sekvestračných zariadeniach. Ich jednoduché požiadavky (slnečné svetlo a atmosférický CO2) a ľahká údržba umožňujú ich inštaláciu v rôznych prostrediach, od mestských po vidiecke oblasti, pre dlhodobú a udržateľnú sekvestráciu CO2. Budúca práca zahŕňa kvantitatívne hodnotenie sekvestrácie CO2 prostredníctvom akumulácie biomasy a možnosť genetickej modifikácie alebo výberu mikroorganizmov s vyššou mierou fotosyntézy na ďalšie zvýšenie účinnosti. JaroR

Glosár kľúčových pojmov

• Abiotické vzorky: Vzorky polymérnej matrice bez zapuzdrených cyanobaktérií, ktoré slúžia ako kontrola v experimentoch.
• Akumulácia biomasy: Nárast celkovej hmoty organického materiálu vytvoreného živými organizmami, v tomto prípade cyanobaktériami, počas fotosyntézy. Predstavuje reverzibilnú formu sekvestrácie CO2.
• Alizarín červený S farbenie: Chemické farbenie používané na vizualizáciu a kvantifikáciu akumulácie vápnika, a tým aj uhličitanových zrazenín, vo vzorkách.
• Bioatrament: Tlačiteľná zmes polymérov a živých mikroorganizmov používaná pri 3D bioprinte na výrobu živých materiálov.
• Biotické vzorky: Vzorky polymérnej matrice obsahujúce zapuzdrené fotosyntetické mikroorganizmy, ktoré sú predmetom experimentálneho štúdia.
• Carbon concentrating mechanism (CCM): Mechanizmus v mnohých fotosyntetických mikroorganizmoch, ktorý aktívne akumuluje CO2 v bunkovom tele až 1000-násobne nad úroveň prostredia.
• Carbon capture and storage (CCS): Priemyselné technológie na zachytávanie CO2 z veľkých emisných zdrojov a jeho skladovanie, zvyčajne v podzemí.
• Cyanobaktérie Synechococcus sp. kmeň PCC 7002: Konkrétny druh fotosyntetických mikroorganizmov použitý v štúdii pre ich schopnosť duálnej sekvestrácie uhlíka.
• Dvojitá sekvestrácia CO2: Súčasné zachytávanie CO2 prostredníctvom dvoch rôznych mechanizmov: tvorby biomasy a mikrobiálne indukovanej precipitácie uhličitanov (MICP).
• Energeticky disperzná röntgenová spektroskopia (EDS): Analytická technika používaná na stanovenie elementárneho zloženia materiálu, často v spojení so skenovacím elektrónovým mikroskopom.
• F127 a F127-BUM (Pluronic F-127 a F127-bis urethane methacrylate): Polymérne zlúčeniny tvoriace základ hydrogélovej matrice. F127-BUM je funkčná verzia, ktorú možno fotokrížovo zosieťovať pre stabilitu.
• Fotosyntetické živé materiály (PLM): Skonštruované materiály, ktoré obsahujú zapuzdrené fotosyntetické mikroorganizmy v polymérnej sieti, navrhnuté na zachytávanie CO2 a výrobu uhlíkových materiálov.
• Hydrogél: Trojrozmerná polymérna sieť, ktorá je schopná absorbovať veľké množstvo vody, vytvárajúc gél-podobnú štruktúru; používa sa na zapuzdrenie mikroorganizmov.
• Mikrobiálne indukovaná precipitácia uhličitanov (MICP): Biologický proces, pri ktorom mikroorganizmy uľahčujú tvorbu nerozpustných uhličitanových minerálov, slúžiacich ako ireverzibilný uhlíkový pohlcovač.
• Modul pružnosti (G‘): Miera tuhosti alebo odporu materiálu voči šmykovej deformácii, ktorá naznačuje mechanické vlastnosti materiálu.
• Optická hustota (OD730nm): Miera zákalu alebo absorbancie tekutej kultúry pri vlnovej dĺžke 730 nm, ktorá sa používa na monitorovanie koncentrácie buniek cyanobaktérií.
• Pericelulárna tvorba uhličitanov: Tvorba uhličitanových zrazenín v tesnej blízkosti alebo okolo cyanobaktériových buniek.
• Fotokrížové zosieťovanie: Proces, pri ktorom sa polyméry (napr. F127-BUM) spájajú pomocou svetla, čím sa zvyšuje mechanická stabilita materiálu.
• Reológia: Štúdium toku a deformácie hmoty, ktorá sa používa na charakterizáciu vlastností bioatramentu, ako je riedenie šmykom a elastické zotavenie.
• Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCo): Enzým kľúčový pre fixáciu uhlíka počas fotosyntézy, ktorý premieňa CO2 na organické zlúčeniny.
• Sekvestrácia uhlíka: Proces odstraňovania a dlhodobého skladovania atmosférického uhlíka (zvyčajne CO2) v uhlíkovom rezervoári.
• Termogravimetrická analýza (TGA): Technika používaná na meranie zmien hmotnosti vzorky ako funkcie teploty, ktorá sa používa na potvrdenie prítomnosti uhličitanov.
• Tvrdosť: Množstvo energie, ktoré materiál absorbuje pred zlomením, čo je indikátor odolnosti materiálu voči prasknutiu.
• Ureolytická MICP: Typ MICP, ktorý sa spolieha na rozklad močoviny na tvorbu uhličitanov; často spojená s produkciou amoniaku.
• UV-vis spektroskopia: Technika, ktorá meria absorpciu svetla vzorkou v ultrafialovom a viditeľnom rozsahu, ktorá sa používa na hodnotenie priepustnosti svetla v hydrogéli.
• Volumetrická 3D tlač: Metóda 3D tlače, ktorá vytvára trojrozmerné objekty polymerizáciou celej objemovej oblasti naraz pomocou svetla.
• X-ray difrakcia (XRD): Analytická technika používaná na identifikáciu kryštalických fáz v materiáli, ktorá sa používa na potvrdenie kryštalickej štruktúry uhličitanov.