Исследователи разрабатывают живой материал, который активно поглощает углекислый газ из атмосферы.
Идея кажется футуристичной: учёные работают над тем, чтобы объединить обычные материалы с бактериями, водорослями и грибами.
«Такой материал может помочь в будущем хранить CO₂ непосредственно в зданиях», — говорит Марк Тиббит, профессор макромолекулярной инженерии в ETH Zurich.
Общая цель — создать живые материалы, которые приобретают полезные свойства благодаря метаболизму микроорганизмов, «например, способность связывать CO₂ из воздуха посредством фотосинтеза», — говорит Марк Тиббит.
Исследовательская группа под руководством Тиббита воплотила эту идею в реальность: она стабильно внедрила фотосинтезирующие бактерии, известные как цианобактерии, в печатаемый гель и разработала живой материал, который растёт и активно удаляет углерод из воздуха.
Живой фотосинтезирующий материал
Исследователи недавно представили свой «фотосинтезирующий живой материал» в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications.
Материал можно формировать с помощью 3D-печати. Для его роста необходимы солнечный свет и искусственная морская вода с легкодоступными питательными веществами в дополнение к CO₂.
«Такой материал может помочь в будущем хранить CO₂ непосредственно в зданиях», — говорит Тиббит, который стал инициатором исследования живых материалов в ETH Zurich.
Особенность этого материала заключается в том, что он поглощает гораздо больше CO₂, чем связывает за счёт органического роста.
«Это связано с тем, что материал может хранить углерод не только в биомассе, но и в форме минералов — особое свойство этих цианобактерий», — раскрывает Тиббит.
Ифань Цуй, один из двух ведущих авторов исследования, объясняет: «Цианобактерии — одни из древнейших форм жизни в мире. Они высокоэффективны в фотосинтезе и могут использовать даже самый слабый свет для производства биомассы из CO₂ и воды».
В то же время бактерии изменяют своё химическое окружение вне клетки в результате фотосинтеза, так что твёрдые карбонаты (например, известь) выпадают в осадок. Эти минералы представляют собой дополнительный поглотитель углерода и, в отличие от биомассы, хранят CO₂ в более стабильной форме.
«Мы используем эту способность специально в нашем материале», — говорит Цуй, который является докторантом в исследовательской группе Тиббита.
Практический побочный эффект: минералы откладываются внутри материала и механически укрепляют его. Таким образом, цианобактерии медленно затвердевают изначально мягкие структуры.
Лабораторные испытания показали, что материал непрерывно связывает CO₂ в течение 400 дней, причём большая его часть — в минеральной форме (около 26 миллиграммов CO₂ на грамм материала). Это значительно больше, чем при многих биологических подходах, и сопоставимо с химической минерализацией переработанного бетона (около 7 мг CO₂ на грамм).
Носителем живых клеток является гидрогель — гель из сшитых полимеров с высоким содержанием воды. Команда Тиббита выбрала полимерную сеть так, чтобы она могла транспортировать свет, CO₂, воду и питательные вещества и позволяла клеткам равномерно распределяться внутри, не покидая материала.
Чтобы цианобактерии жили как можно дольше и оставались эффективными, исследователи также оптимизировали геометрию структур с помощью процессов 3D-печати, чтобы увеличить площадь поверхности, улучшить проникновение света и способствовать потоку питательных веществ.
«Таким образом, мы создали структуры, которые обеспечивают проникновение света и пассивно распределяют питательную жидкость по всему телу за счёт капиллярных сил», — говорит соавтор Далия Дрансейк.
Благодаря такой конструкции инкапсулированные цианобактерии продуктивно жили более года, сообщает исследователь материалов из группы Тиббита.
Инфраструктура как поглотитель углерода
Исследователи рассматривают свой живой материал как низкоэнергетический и экологически чистый подход, который может связывать CO₂ из атмосферы и дополнять существующие химические процессы улавливания углерода.
«В будущем мы хотим изучить, как этот материал можно использовать в качестве покрытия для фасадов зданий для связывания CO₂ на протяжении всего жизненного цикла здания», — говорит Тиббит.
Путь предстоит ещё долгий, но коллеги из области архитектуры уже взяли концепцию на вооружение и экспериментально реализовали её начальные интерпретации.
Источник: ETH Zurich