Տեղեկություն

Արդյո՞ք Ալիցիկլոբակիլները արտադրում են ածխաթթու գազ:


Ալիցիկլոբակիլները, հատկապես գուայակոլ արտադրողները, դեռ արտադրու՞մ են ածխաթթու գազ: Alicyclobacillus spp. մրգահյութերի արդյունաբերության մեջ հայտնի փչացնող օրգանիզմներ են: Ըստ երևույթին, փաթեթավորման «պայթեցում» չկա (հաճախ առաջանում է ածխածնի երկօքսիդի արտադրությամբ), ինչը դժվարացնում է հնարավոր աղտոտվածության տեսանելի հայտնաբերումը: Այսպիսով, հարց է առաջանում, արդյոք Ալիցիկլոբակիլները ընդհանրապես արտադրում են ածխաթթու գազ:


Ալիցիկլոբակիլները խիստ աերոբ են և այդպիսով ընդունում են թթվածին և արտազատում ածխաթթու գազ՝ ի տարբերություն (ֆակուլտատիվ) անաէրոբ խմորիչների և բացիլների, որոնք սովորաբար փչանում են: Այսպիսով, այո, ալիցիկլոբակիլները արտադրում են CO2: Բայց ինչո՞ւ փաթեթավորումը չի ուռչում: Համեմատեք գազի մոլեկուլների քանակը ամենապարզ ռեակցիաներում աերոբ և անաէրոբ նյութափոխանակության համար.

Աերոբիկ նյութափոխանակություն՝ $C_6H_{12}O_6 + ընդգծում{6 O_2} Աջ սլաք ընդգծում{6 CO_2} + 6 H_2O + 38 ATP$

Անաէրոբ նյութափոխանակություն՝ $C_6H_{12}O_6 Rightarrow 2 Ethanol + underline{2 CO_2} + 2 ATP$

Աերոբները ընդունում են այնքան գազի մոլեկուլներ, որքան արտազատում են, մինչդեռ անաէրոբները (առնվազն էթանոլ արտադրողները) միայն գազ են արտադրում:


Ածխածնի երկօքսիդի արտադրության տարբերությունների չափում

Այս հետազոտության ընթացքում դուք կհասկանաք, թե ինչպես է ածխաթթու գազը փոխում բրոմթիմոլ կապույտի գույնը և կօգտագործեք տիտրման տեխնիկա՝ բրոմթիմոլ կապույտին ավելացված ածխաթթու գազի քանակությունը չափելու համար: Օգտագործելով այս տեխնիկան՝ դուք նաև կկարողանաք համեմատել ֆիզիկական ակտիվության տարբեր մակարդակներում մարդու կողմից արտադրվող ածխաթթու գազի քանակությունը:

Տիտրման տեխնիկա.

Ընթացակարգը. Օգտագործեք ծղոտ՝ օդը արտաշնչելու համար կոլբայի մեջ, որը պարունակում է բրոմթիմոլ կապույտի լուծույթ: Երբ լուծույթը փոխում է գույնը, կիրառեք այն կրկին փոխելով՝ ավելացնելով նատրիումի հիդրօքսիդի կաթիլներ: Որքան շատ նատրիումի հիդրօքսիդի կաթիլներ են անհրաժեշտ, այնքան մեծ է ածխաթթու գազի քանակությունը կոլբայի մեջ: Կատարեք այս ընթացակարգը այնքան ժամանակ, մինչև ձեզ հարմար լինի նատրիումի հիդրօքսիդ ավելացնելը: (Կարևոր է, դուք պետք է պտտեք կոլբը կաթիլները ավելացնելուց հետո, որպեսզի տեսնեք, թե արդյոք գույնը փոխվում է, երբեմն փոփոխությունը հետաձգվում է)

Փորձը. Ընտրեք հետևյալ հարցերից մեկը՝ կապված ածխաթթու գազի և ցուցիչի բնույթի հետ՝ բրոմթիմոլ կապույտ:

Ինչպե՞ս է փոխվում մարդու արտաշնչած ածխաթթու գազի քանակը ֆիզիկական ակտիվության արդյունքում:

Կա՞ն արդյոք այլ գործոններ, որոնք կարող են ազդել արտաշնչման ժամանակ ածխաթթու գազի քանակի վրա:

- հիպերօդափոխում թղթե տոպրակի մեջ
- մաստակ կամ անանուխ
- շունչդ պահելով

Որպես խումբ մշակեք վարկած և նախագծեք փորձ՝ ձեր վարկածը ստուգելու համար: Դուք կարող եք օգտագործել ձեր խմբի անդամներից մեկին կամ բոլորին որպես ծովախոզուկ: Այստեղ շատ քիչ տեղեկատվություն է ներառված, թե ինչպես պետք է անցկացնեք ձեր փորձը: Ակնկալվում է, որ ձեզանից նախագծեք ձեր սեփական փորձը՝ հաշվի առնելով վերահսկիչները և փոփոխականները: Եզրակացություններ կազմելու համար անհրաժեշտ է բավականաչափ տվյալներ վերցնել։

Ընդլայնման փորձ

Արդյո՞ք գույնը կփոխվի, եթե ջրային բույսը տեղադրվի բրոմթիոլ կապույտի նոսրացված լուծույթում: Այսինքն՝ բույսերը նույնպես ածխաթթու գազ են թողարկում։ (Պահանջվում է ակվարիումի բույս, անախարիս կամ նմանատիպ):


Ներքին ածխաթթու գազի կոնցենտրացիաները պայմանավորված են բացօթյա CO-ի համակցությամբ2, ներսի շնչառությունը և շենքի օդափոխության արագությունը: Քանի որ շենքերն ու տները դառնում են ավելի էներգաարդյունավետ և հերմետիկ, դա նշանակում է, որ մենք ունենք ավելի քիչ մաքուր օդ:

Օդափոխման համակարգերից շատերը, որոնք մենք այսօր օգտագործում ենք, վերամշակում են օդը էներգիան խնայելու համար, ըստ էության, աղտոտված օդը տեղափոխելով նոր օդի մեջ հեծանիվ վարելու փոխարեն: Սա հանգեցնում է բարձր CO-ի2 կոնցենտրացիաներ և ներսի օդի վատ որակ:


Ջերմոցային գազերի ազդեցությունը

Ջերմոցային գազերն ունեն շրջակա միջավայրի և առողջության վրա զգալի ազդեցություն: Նրանք կլիմայի փոփոխություն են առաջացնում՝ ջերմության թակարդում, ինչպես նաև նպաստում են ծխի և օդի աղտոտվածության հետևանքով շնչառական հիվանդությունների առաջացմանը: Ծայրահեղ եղանակը, սննդի մատակարարման խափանումները և անտառային հրդեհների աճը ջերմոցային գազերի հետևանքով առաջացած կլիմայի փոփոխության այլ հետևանքներ են: Տիպիկ եղանակային օրինաչափությունները, որոնց մենք ակնկալում ենք, կփոխվեն որոշ տեսակներ կվերանան, մյուսները կգաղթեն կամ կաճեն: (Կլիմայի փոփոխության միջոցով ջերմոցային գազերի ազդեցության մասին ավելին կարդացեք այստեղ:)


Գազային դիետա

Վերջին աշխատանքում Միլոն և նրա թիմը օգտագործել են գենետիկական ինժեներիայի և լաբորատոր էվոլյուցիայի խառնուրդ՝ ստեղծելու շտամ: E. coli որը կարող է ստանալ իր ողջ ածխածինը CO-ից2. Նախ, նրանք բակտերիային գեներ տվեցին, որոնք կոդավորում են մի զույգ ֆերմենտներ, որոնք ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմներին թույլ են տալիս փոխակերպել CO2 օրգանական ածխածնի մեջ: Բույսերն ու ցիանոբակտերիաներն ապահովում են այս փոխակերպումը լույսով, բայց դա հնարավոր չէր E. coli. Փոխարենը, Միլոյի թիմը մտցրեց գեն, որը թույլ է տալիս բակտերիային էներգիա հավաքել ֆորմատ կոչվող օրգանական մոլեկուլից:

Նույնիսկ այս հավելումներով բակտերիան հրաժարվեց իր շաքարի կերակուրները փոխել CO-ով2. Լարը հետագա կսմթելու համար հետազոտողները մշակել են փոփոխվածների հաջորդական սերունդներ E. coli մեկ տարվա ընթացքում՝ նրանց տալով շաքարավազի փոքր քանակություն, և CO2 կոնցենտրացիաներով մոտ 250 անգամ ավելի քան Երկրի մթնոլորտում: Նրանք հույս ունեին, որ բակտերիաները մուտացիաներ կառաջացնեն այս նոր սննդակարգին հարմարվելու համար: Մոտ 200 օր հետո առաջին բջիջները, որոնք ընդունակ են օգտագործել CO2 քանի որ առաջացել է նրանց միակ ածխածնի աղբյուրը։ Եվ 300 օր հետո այս բակտերիաները լաբորատոր պայմաններում ավելի արագ են աճել, քան նրանք, ովքեր չեն կարողացել CO սպառել:2.

ԿՈ2- ուտում կամ ավտոտրոֆ, E. coli շտամները դեռ կարող են աճել շաքարի վրա, և կօգտագործեն վառելիքի այդ աղբյուրը CO-ի փոխարեն2, հաշվի առնելով ընտրությունը, ասում է Միլոն։ Նորմալի համեմատ E. coli, որոնց թիվը կարող է կրկնապատկվել յուրաքանչյուր 20 րոպեն մեկ՝ ավտոտրոֆիկ E. coli հետամնացներ են, որոնք բաժանվում են յուրաքանչյուր 18 ժամը մեկ, երբ աճում են 10% CO պարունակող մթնոլորտում2. Նրանք չեն կարողանում գոյատևել առանց շաքարի CO-ի մթնոլորտային մակարդակներում2 — ներկայումս 0,041%:

Միլոն և նրա թիմը հույս ունեն, որ իրենց բակտերիաներն ավելի արագ աճեն և ապրեն CO-ի ցածր մակարդակներում2. Նրանք նաև փորձում են հասկանալ, թե ինչպես է E. coli զարգացել է ուտել CO2Ընդամենը 11 գեների փոփոխությունները, թվում էր, թույլ են տալիս փոխել, և այժմ նրանք աշխատում են պարզելու, թե ինչպես:

Աշխատանքը «հանգույց» է և ցույց է տալիս ճարտարագիտության և էվոլյուցիայի միաձուլման ուժը բնական գործընթացները բարելավելու համար, ասում է Շերիլ Քերֆելդը՝ Միչիգան ​​նահանգի Արևելյան Լանսինգ նահանգի համալսարանի և Կալիֆորնիայի Լոուրենս Բերքլիի ազգային լաբորատորիայի բիոինժեներ:

Արդեն, E. coli օգտագործվում է օգտակար քիմիական նյութերի սինթետիկ տարբերակների պատրաստման համար, ինչպիսիք են ինսուլինը և մարդու աճի հորմոնը: Միլոն ասում է, որ իր թիմի աշխատանքը կարող է ընդլայնել բակտերիաների արտադրած արտադրանքը՝ ներառելով վերականգնվող վառելիքներ, սնունդ և այլ նյութեր: Բայց նա չի տեսնում, որ դա շուտով տեղի կունենա:

«Սա հայեցակարգի ապացույց է», - համաձայնում է Էրբը: «Մի քանի տարի կպահանջվի, մինչև մենք տեսնենք այս օրգանիզմի կիրառումը»:


Գազի փոխանակում հանգիստ վիճակում

Թթվածինն ու ածխաթթու գազը երկուսն էլ առկա են մթնոլորտում: Թթվածինը կազմում է ձեր շնչած օդի 20,9 տոկոսը, մինչդեռ ածխածնի երկօքսիդը կազմում է 0,03 տոկոսը: Երբ դուք շնչում եք, դուք այդ նյութափոխանակության գազերը տեղափոխում եք մթնոլորտի և արյան միջև ձեր թոքերում:

Թթվածինը տեղափոխվում է ձեր արյան մեջ, որն այն տեղափոխում է հյուսվածքներ, որտեղ այն էներգիա է ազատում ձեր կերած մթերքներից: Սա հանգեցնում է ածխածնի երկօքսիդի արտադրությանը, որը պետք է հեռացվի, ասում է Սրտի, թոքերի և արյան ազգային ինստիտուտը:

Հանգստի ժամանակ դուք յուրաքանչյուր րոպեում սպառում եք 3,5 միլիլիտր թթվածին մեկ կիլոգրամ մարմնի քաշի համար՝ էներգիայի կարիքները բավարարելու համար: Ձեր մկանային մանրաթելերի տեսակը, գլիկոգենի պարունակությունը, սննդային ճարպերի ընդունումը, մարզումները և արյան մետաբոլիտները բոլորն ազդում են, թե որքան ածխաթթու գազ եք արտադրում այս թթվածնի սպառման հետ կապված: Նվազագույն քանակությունը 0,7 լիտր է յուրաքանչյուր լիտր թթվածնի համար, եթե ճարպը բացառապես այրվում է:


Հետազոտողները արհեստական ​​քլորոպլաստ են մշակում

Բույսերի թիլակոիդները պարուրված են մոտավորապես 90 միկրոմետր տրամագծով միկրոկաթիլներով: Կիսասինթետիկ քլորոպլաստները, որոնք հագեցած են մի շարք ֆերմենտներով, ֆիքսում են ածխաթթու գազը՝ օգտագործելով արևային էներգիա՝ հետևելով բնության օրինակին: Վարկ՝ Մաքս Պլանկի ցամաքային մանրէաբանության ինստիտուտ/Erb

Միլիարդավոր տարիների ընթացքում միկրոօրգանիզմները և բույսերը զարգացրեցին ուշագրավ գործընթաց, որը մենք գիտենք որպես ֆոտոսինթեզ: Ֆոտոսինթեզը արևի էներգիան վերածում է քիմիական էներգիայի՝ այդպիսով ապահովելով Երկրի ողջ կյանքը սննդով և թթվածնով: Բջջային բաժանմունքները, որոնցում տեղավորված են մոլեկուլային մեքենաները՝ քլորոպլաստները, հավանաբար երկրի վրա ամենակարևոր բնական շարժիչներն են: Շատ գիտնականներ ֆոտոսինթետիկ գործընթացի արհեստական ​​վերակառուցումն ու կառավարումը համարում են «մեր ժամանակի Ապոլլոնի նախագիծը»: Դա կնշանակի մաքուր էներգիա արտադրելու ունակություն՝ մաքուր վառելիք, մաքուր ածխածնի միացություններ, ինչպիսիք են հակաբիոտիկները և այլ ապրանքներ պարզապես լույսից և ածխածնի երկօքսիդից:

Բայց ինչպե՞ս կառուցել կենդանի, ֆոտոսինթետիկ բջիջ զրոյից: Կենդանի բջջի պրոցեսները ընդօրինակելու բանալին նրա բաղադրիչները ճիշտ ժամանակին և տեղում աշխատելն է: Max Planck Society-ում այս հավակնոտ նպատակը հետապնդվում է միջառարկայական բազմաբնույթ լաբորատոր նախաձեռնությամբ՝ MaxSynBio ցանցում: Այժմ Մարբուրգի հետազոտական ​​թիմը՝ տնօրեն Թոբիաս Էրբի գլխավորությամբ, հաջողությամբ ստեղծել է բջջի չափի ֆոտոսինթետիկ ակտիվ խցիկների՝ «արհեստական ​​քլորոպլաստների» ավտոմատ կառուցման հարթակ, որոնք ի վիճակի են լույսով որսալ և փոխակերպել ջերմոցային գազը ածխաթթու գազը:

Microfluidics-ը հանդիպում է սինթետիկ կենսաբանության հետ

Մաքս Պլանկի հետազոտողները օգտվել են երկու վերջին տեխնոլոգիական զարգացումներից. առաջինը՝ սինթետիկ կենսաբանությունը նոր կենսաբանական համակարգերի նախագծման և կառուցման համար, ինչպիսիք են ածխաթթու գազի գրավման և փոխակերպման ռեակցիոն ցանցերը, և երկրորդ՝ միկրոհեղուկները՝ փափուկ նյութերի հավաքման համար, ինչպիսիք են. որպես բջջի չափի կաթիլներ:

«Մեզ սկզբում անհրաժեշտ էր էներգիայի մոդուլ, որը թույլ կտա մեզ կայուն կերպով սնուցել քիմիական ռեակցիաները: Ֆոտոսինթեզում քլորոպլաստային թաղանթները ապահովում են էներգիան ածխաթթու գազի ամրագրման համար, և մենք նախատեսում էինք օգտագործել այդ ունակությունը», - բացատրում է Թոբիաս Էրբը:

Միկրո-կաթիլների արտադրություն և իրական ժամանակի դիտարկում միկրոհեղուկ հարթակի վրա: Միկրո-կաթիլները հավաքվում են խցիկում, որտեղ դրանց ակտիվությունը կարելի է իրական ժամանակում մանրադիտակային կերպով վերահսկել, այդ թվում՝ քանակականացնելով ֆերմենտային ակտիվությունը՝ չափելով NADPH ֆլուորեսցենտությունը: Օգտագործելով պայծառ դաշտը, կաթիլները տեղակայվում են և տեսանելի են ֆոտոսինթետիկ ակտիվ թաղանթները: Այս թաղանթները լյումինեսցենտ են, երբ հուզված են: Կաթիլների պոպուլյացիաները տարբերվում են կոդավորող ներկի միջոցով, որը նկատելի է, երբ կաթիլները գրգռվում են որոշակի ալիքի երկարությամբ (550 նմ): Կաթիլների NADPH արտադրությունը դիտվում է NADPH ֆլուորեսցենտի միջոցով (օգտագործելով 365 նմ): Վարկ. Planck Institute for Terrestrial Microbiology/Erb

Սպանախի բույսից մեկուսացված ֆոտոսինթեզի ապարատը բավականաչափ ամուր է, որ կարող է օգտագործվել լույսի հետ մեկ ռեակցիաներ և ավելի բարդ ռեակցիաների ցանցեր առաջացնելու համար: Մութ ռեակցիայի համար հետազոտողները օգտագործել են իրենց սեփական արհեստական ​​նյութափոխանակության մոդուլը՝ CETCH ցիկլը: Այն բաղկացած է 18 կենսակատալիզատորներից, որոնք փոխակերպում են ածխաթթու գազը ավելի արդյունավետ, քան բույսերում բնականաբար տեղի ունեցող ածխածնի նյութափոխանակությունը: Օպտիմալացման մի քանի փուլերից հետո թիմին հաջողվեց լույսի կառավարմամբ ամրացնել ջերմոցային գազի CO-ն2 արհեստական ​​պայմաններում.

Երկրորդ մարտահրավերը համակարգի հավաքումն էր միկրո մասշտաբով սահմանված խցիկում: Հետագա կիրառությունների նկատառումով, պետք է հեշտ լինի նաև արտադրությունը ավտոմատացնելը: Ժան-Քրիստոֆ Բարեի լաբորատորիայի հետ Ֆրանսիայի Պոլ Պասկալի կենտրոնի (CRPP) լաբորատորիայում հետազոտողները մշակել են կիսասինթետիկ թաղանթները բջջային նման կաթիլների մեջ պարփակելու հարթակ:

Ավելի արդյունավետ, քան բնության ֆոտոսինթեզը

Ստացված միկրոհեղուկ հարթակն ի վիճակի է արտադրել հազարավոր ստանդարտացված կաթիլներ, որոնք կարող են անհատականորեն սարքավորվել՝ ըստ ցանկալի նյութափոխանակության հնարավորությունների: «Մենք կարող ենք արտադրել հազարավոր նույնական սարքավորված կաթիլներ կամ կարող ենք հատուկ հատկություններ տալ առանձին կաթիլներին», - ասում է հետազոտության առաջատար հեղինակ Թարրին Միլլերը: «Սրանք կարող են կառավարվել ժամանակի և տարածության մեջ լույսի միջոցով»:

Ի տարբերություն կենդանի օրգանիզմների ավանդական գենային ինժեներիայի, ներքևից վեր մոտեցումն առաջարկում է որոշիչ առավելություններ. այն կենտրոնանում է նվազագույն դիզայնի վրա և պարտադիր չէ, որ կապված լինի բնական կենսաբանության սահմանների հետ: «Պլատֆորմը թույլ է տալիս մեզ իրականացնել նոր լուծումներ, որոնք բնությունը չի ուսումնասիրել էվոլյուցիայի ընթացքում», - բացատրում է Թոբիաս Էրբը: Նրա կարծիքով, արդյունքները մեծ ներուժ ունեն ապագայի համար։ Ամսագրում իրենց հրապարակման մեջ ԳիտությունՀեղինակները կարողացել են ցույց տալ, որ «արհեստական ​​քլորոպլաստը» նոր ֆերմենտներով և ռեակցիաներով համալրելը հանգեցրել է ածխածնի երկօքսիդի կապակցման արագությանը, որը 100 անգամ ավելի արագ է, քան նախորդ սինթետիկ-կենսաբանական մոտեցումները: «Երկարաժամկետ հեռանկարում կյանքի նման համակարգերը կարող են կիրառվել գործնականում բոլոր տեխնոլոգիական ոլորտներում, ներառյալ նյութագիտությունը, կենսատեխնոլոգիան և բժշկությունը. մենք այս հետաքրքիր զարգացման միայն սկզբում ենք»: Ավելին, արդյունքները ևս մեկ քայլ են ապագայի ամենամեծ մարտահրավերներից մեկը հաղթահարելու համար՝ մթնոլորտում ածխաթթու գազի անընդհատ աճող կոնցենտրացիաները:


Ֆիտոպլանկտոնի արտադրողականություն

Ածխածնի նվազեցում

Ֆոտոսինթեզում ածխածնի զուտ ամրագրումը ներառում է կրճատումների ցիկլ, որը կոչվում է Կալվինի ցիկլ, ջրիմուռների բջիջների պլաստիդներում կամ ցիանոբակտերիաների ցիտոպլազմայում: Այս ցիկլի հիմքում ընկած է ռիբուլոզա 1,5-բիֆոսֆատի (RuBP) կարբոքսիլացումը, որը կատալիզացվում է RUBISCO ֆերմենտի կողմից, որը երկու ձևով գոյություն ունեցող մոնոֆիլետիկ ֆերմենտ է: I ձևի ֆերմենտը հայտնաբերված է ցիանոբակտերիաներում և բոլոր էուկարիոտներում, բացառությամբ որոշ պերիդինին պարունակող Դինոֆիտների, որոնք պարունակում են II ձևի ֆերմենտը: Ֆերմենտի ակտիվությունը ցածր է մյուս կարբոքսիլազների համեմատ։ ՌՈՒԲԻՍԿՈ-ին բաժին է ընկնում բջջի զգալի մասը (բջջային ածխածնի 1-10%-ը կամ ընդհանուր սպիտակուցի մոտ 2-10%-ը), որի քանակը կախված է շրջակա միջավայրի լուսավորության պայմաններից: Բարձր ճառագայթման պայմաններում RUBISCO-ն կարող է ունենալ մինչև հինգ անգամ ավելի բջիջների զանգված, քան քլորոֆիլ-a-ն (Raven et al., 2012 Bracher et al., 2017):

RUBISCO-ի դերը ֆիտոպլանկտոնի էկոֆիզիոլոգիայում հասկանալը կարևոր է որոշելու, թե արդյոք RUBISCO-ն կամ PET-ը սահմանափակում են լույսով հագեցած ֆոտոսինթեզը և գնահատելու CO-ի կոնցենտրացիան:2 անհրաժեշտ է հատուկ ֆոտոսինթետիկ արագություն ապահովելու համար: Սա հետևանքներ ունի թթվածնի միջոցով ածխածնի ամրագրման արգելակման և CO-ի դերի գնահատման համար2- կենտրոնացման մեխանիզմ. Ֆերմենտի ակտիվությունը կարգավորվում է in vivo բազմաթիվ մեխանիզմներով և արտաքին գործոններով, որոնք լավագույնս ուսումնասիրված են քլորոֆիտներում և ցիանոբակտերիաներում: Ցածր լույսի և/կամ ցածր CO-ի պայմաններում2, RuBP-ը հագեցնում է և CO-ի գործակիցը2 ֆիքսումը սահմանափակվում է ՌՈՒԲԻՍԿՈ-ի ակտիվությամբ: Այնուամենայնիվ, բարձր լույսի և/կամ բարձր CO-ի պայմաններում2, ածխածնի ամրագրումը սահմանափակվում է RuBP-ի վերածնմամբ, գործընթաց, որը հայտնի է որպես լվացման սահմանափակում:


CO2-ի յուրացման նոր տեխնիկան կարող է նվազեցնել էլեկտրակայանների ջերմոցային գազերը

Մետաղ-օրգանական շրջանակները շատ ծակոտկեն են, ինչը նրանց դարձնում է իդեալական գազեր և հեղուկներ կլանելու համար: Այս գրաֆիկը ցույց է տալիս MOF-ի ինտերիերը, որը հիմնված է մետաղական մագնեզիումի վրա (կանաչ գնդիկներ), և ավելացրել է մոլեկուլներ՝ տետրամիններ (կապույտ և մոխրագույն)՝ ավելացված ծակոտիներին՝ էլեկտրակայանների արտանետումներից ածխածնի երկօքսիդն ավելի արդյունավետորեն կլանելու համար: (UC Berkeley գրաֆիկա՝ Յուջին Քիմի կողմից)

Ածխածնի ներգրավման տեխնոլոգիայի մեծ առաջընթացը կարող է արդյունավետ և էժան միջոց ապահովել բնական գազի էլեկտրակայանների համար՝ հեռացնելու ածխաթթու գազը իրենց ծխատար արտանետումներից, ինչը անհրաժեշտ քայլ է ջերմոցային գազերի արտանետումները նվազեցնելու համար՝ դանդաղեցնելու գլոբալ տաքացումը և կլիմայի փոփոխությունը:

Կալիֆորնիայի Բերկլիի համալսարանի, Լոուրենս Բերքլիի ազգային լաբորատորիայի և ExxonMobil-ի հետազոտողների կողմից մշակված նոր տեխնիկան օգտագործում է բարձր ծակոտկեն նյութ, որը կոչվում է մետաղական օրգանական շրջանակ կամ MOF, որը ձևափոխված է ազոտ պարունակող ամին մոլեկուլներով՝ CO-ը գրավելու համար:2 և ցածր ջերմաստիճանի գոլորշի՝ CO-ը դուրս հանելու համար2 այլ օգտագործման կամ ստորգետնյա զավթման համար:

Փորձերի ժամանակ տեխնիկան ցույց տվեց CO-ի հեռացման վեց անգամ ավելի մեծ կարողություն2 ծխատար գազից, քան ներկայիս ամինի վրա հիմնված տեխնոլոգիան, և այն խիստ ընտրողական էր՝ գրավելով CO-ի ավելի քան 90%-ը2 արտանետված. Գործընթացը օգտագործում է ցածր ջերմաստիճանի գոլորշի, որպեսզի վերականգնվի MOF-ը կրկնակի օգտագործման համար, ինչը նշանակում է, որ ավելի քիչ էներգիա է պահանջվում ածխածնի ներգրավման համար:

«Հանուն CO2 գրավում, գոլորշու հեռացում, որտեղ դուք օգտագործում եք գոլորշու հետ անմիջական շփումը CO-ն հեռացնելու համար2 — մի տեսակ սուրբ գրալ է եղել դաշտի համար։ Դա արդարացիորեն համարվում է դա անելու ամենաէժան միջոցը», - ասում է ավագ հետազոտող Ջեֆրի Լոնգը, Քիմիայի և քիմիական և կենսամոլեկուլային ճարտարագիտության պրոֆեսոր, Բերքլիի լաբորատորիայի ավագ ֆակուլտետի գիտնական: «Այս նյութերը, համենայն դեպս մինչ այժմ մեր կատարած փորձերից, շատ խոստումնալից տեսք ունեն»:

Քանի որ շատ գրավված CO-ի համար քիչ շուկա կա2, էլեկտրակայանները, ամենայն հավանականությամբ, դրա մեծ մասը ետ մղեն գետնին, կամ կկտրեն այն, որտեղ այն իդեալականորեն կվերածվի քարի: Արտանետումների մաքրման ծախսերը պետք է հեշտացվեն կառավարության քաղաքականությամբ, ինչպիսիք են ածխածնի առևտուրը կամ ածխածնի հարկը, CO-ն խթանելու համար:2 գրավում և բռնագրավում, մի բան, որ շատ երկրներ արդեն իրականացրել են։

Աշխատանքը ֆինանսավորվել է ExxonMobil-ի կողմից, որն աշխատում է ինչպես Berkeley խմբի, այնպես էլ Long's start-up-ի՝ ​​Mosaic Materials Inc.-ի հետ՝ մշակելու, մեծացնելու և CO-ի հեռացման գործընթացները փորձարկելու համար:2 արտանետումներից:

Լոնգը թղթի ավագ հեղինակն է, որը նկարագրում է նոր տեխնիկան, որը կհայտնվի ամսագրի հուլիսի 24-ի համարում: Գիտություն.

MOF-ում մեկ ծակոտի ատոմային կառուցվածքը ցույց է տալիս, թե ինչպես են ածխածնի երկօքսիդի մոլեկուլները (մոխրագույն և կարմիր գնդերը) կապվում տետրամինների հետ (կապույտ և սպիտակ գնդիկներ)՝ ստեղծելով CO2 պոլիմեր, որը անցնում է ծակոտիով: Ցածր ջերմաստիճանի գոլորշին կարող է դուրս հանել ածխաթթու գազը՝ սեկվեստրի համար, ինչը թույլ է տալիս MOF-ին նորից օգտագործել՝ էլեկտրակայանների արտանետումներից ավելի շատ ածխածին ներգրավելու համար: (UC Berkeley գրաֆիկա՝ Յուջին Քիմի կողմից)

«Մենք կարողացանք նախնական հայտնագործությունը կատարել և հետազոտության և փորձարկման միջոցով ստանալ մի նյութ, որը լաբորատոր փորձերի ընթացքում ցույց է տվել ոչ միայն CO-ը գրավելու ներուժը:2 ծայրահեղ պայմաններում, որոնք առկա են բնական գազի էլեկտրակայաններից ծխատար գազի արտանետումների ժամանակ, բայց դա անել առանց ընտրողականության կորստի», - ասում է համահեղինակ Սայմոն Ուեսթոնը, ավագ գիտաշխատող և ExxonMobil Research and Engineering Co-ի ծրագրի ղեկավարը: ցույց է տվել, որ այս նոր նյութերը կարող են այնուհետև վերականգնվել ցածրորակ գոլորշու միջոցով՝ կրկնակի օգտագործման համար՝ ապահովելով ուղի կենսունակ լուծման համար ածխածնի յուրացման մասշտաբով»:

Ածխածնի երկօքսիդի արտանետումները հանածո վառելիքով այրվող մեքենաների, էլեկտրաէներգիա արտադրող կայանների և արդյունաբերության կողմից կազմում են ջերմոցային գազերի մոտ 65%-ը, որոնք նպաստում են կլիմայի փոփոխությանը, ինչը 19-րդ դարից ի վեր արդեն բարձրացրել է Երկրի միջին ջերմաստիճանը 1,8 աստիճանով Ֆարենհայթով (1 աստիճան Ցելսիուս): . Առանց այս արտանետումների նվազման, կլիմայագետները կանխատեսում են ավելի տաք ջերմաստիճան, ավելի անկանոն և կատաղի փոթորիկներ, ծովի մակարդակի մի քանի ոտնաչափ բարձրացում և արդյունքում երաշտներ, ջրհեղեղներ, հրդեհներ, սով և հակամարտություններ:

«Իրականում, այն տեսակի բաները, որոնք Կլիմայի փոփոխության հարցերով միջկառավարական խումբն ասում է, որ մենք պետք է անենք գլոբալ տաքացումը վերահսկելու համար, CO.2 գրավումը հսկայական մասն է», - ասաց Լոնգը: «Մենք չենք օգտագործում CO-ի մեծ մասի համար2 որ մենք պետք է դադարեցնենք արտանետումները, բայց պետք է դա անենք»։

Մերկացում

Էլեկտրակայանների շերտի CO2 Այսօր ծխի արտանետումներից՝ ծխատար գազերը ջրի մեջ օրգանական ամինների միջոցով փրփրելով, որոնք կապում և արդյունահանում են ածխաթթու գազը: Այնուհետև հեղուկը տաքացվում է մինչև 120-150 C (250-300 F)՝ CO-ն ազատելու համար:2 գազ, որից հետո հեղուկները կրկին օգտագործվում են։ Ամբողջ գործընթացը սպառում է արտադրված էներգիայի մոտ 30%-ը: Գրավված CO-ի առգրավում2 ստորգետնյա ծախսերը դրա լրացուցիչ, թեև փոքր մասն են կազմում:

Էլեկտրաէներգիա արտադրող կայան, որն աշխատում է բնական գազով։ Նոր տեխնիկան կարող է ներգրավել ածխածնի երկօքսիդը նման կայաններից արտանետումներից, որպեսզի այն զսպի գետնի տակ և նվազեցնի կլիմայի փոփոխության համար պատասխանատու ջերմոցային գազերը: (Լուսանկարը՝ Միջազգային էներգետիկ գործակալության)

Վեց տարի առաջ Լոնգը և նրա խումբը UC Berkeley-ի Գազի տարանջատման կենտրոնում, որը ֆինանսավորվում է ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության կողմից, հայտնաբերեցին քիմիապես ձևափոխված MOF, որը հեշտությամբ ընդունում է CO:2 կենտրոնացված էլեկտրակայանների ծխնելույզների արտանետումներից, ինչը պոտենցիալ կերպով նվազեցնում է գրավման արժեքը կիսով չափ: Նրանք դիամինի մոլեկուլներ են ավելացրել մագնեզիումի վրա հիմնված MOF-ին՝ CO-ի պոլիմերային շղթաների ձևավորումը կատալիզացնելու համար։2 այն կարող է մաքրվել ածխածնի երկօքսիդի խոնավ հոսքով:

Քանի որ MOF-ները շատ ծակոտկեն են, այս դեպքում, ինչպես մեղրախորիսխը, թղթի սեղմակի քաշի չափը ունի ներքին մակերես, որը հավասար է ֆուտբոլի դաշտի մակերեսին, բոլորը հասանելի են գազերը կլանելու համար:

Ամինով կցված MOF-ների հիմնական առավելությունն այն է, որ ամինները կարող են կարգավորվել՝ CO-ն գրավելու համար:2 տարբեր կոնցենտրացիաների դեպքում՝ սկսած ածխի գործարանների արտանետումներին բնորոշ 12%-ից մինչև 15%-ից մինչև բնական գազի կայաններին բնորոշ 4%-ը կամ նույնիսկ շրջակա օդում շատ ավելի ցածր կոնցենտրացիաները: «Mosaic Materials»-ը, որը Long-ի համահիմնադիրն ու ղեկավարումն է, ստեղծվել է այս տեխնիկան լայնորեն հասանելի դարձնելու համար էլեկտրաէներգիայի և արդյունաբերական ձեռնարկություններին:

Բայց 180 C ջրի հոսքը և CO2 անհրաժեշտ է բռնված CO-ն լվանալու համար2 վերջիվերջո հեռացնում է դիամինի մոլեկուլները՝ կրճատելով նյութի կյանքը: Նոր տարբերակն օգտագործում է չորս ամին մոլեկուլ՝ տետրամին, որը շատ ավելի կայուն է բարձր ջերմաստիճանների և գոլորշու առկայության դեպքում:

«Տետրաամիններն այնքան ուժեղ են կապված MOF-ի ներսում, որ մենք կարող ենք օգտագործել ջրի գոլորշիների շատ կենտրոնացված հոսք զրոյական CO CO-ով:2և եթե փորձեիք դա նախկին ադսորբենտներով, գոլորշին կսկսի ոչնչացնել նյութը», - ասաց Լոնգը:

Նրանք ցույց են տվել, որ գոլորշու հետ անմիջական շփումը 110-120 C ջերմաստիճանում (ջրի եռման կետից մի փոքր բարձր) լավ է աշխատում CO-ն դուրս հանելու համար:2. Այդ ջերմաստիճանում գոլորշին հեշտությամբ հասանելի է բնական գազի էլեկտրակայաններում, մինչդեռ 180 C CO-ն2- ջրի խառնուրդ, որն անհրաժեշտ է ավելի վաղ փոփոխված MOF-ի անհրաժեշտ ջեռուցումը վերականգնելու համար, որը վատնում է էներգիան:

Երբ Լոնգը, Ուեսթոնը և նրանց գործընկերները առաջին անգամ մտածեցին դիամինները ավելի կոշտ տետրաամիններով փոխարինելու մասին, թվում էր, թե դա երկար կրակոց է: Սակայն դիամին պարունակող MOF-ների բյուրեղային կառուցվածքները ենթադրում են, որ կարող են լինել երկու դիամինների միացման եղանակներ՝ ձևավորելով տետրամին, միաժամանակ պահպանելով նյութի կարողությունը CO պոլիմերացնելու համար:2. Երբ UC Berkeley-ի ասպիրանտ Յուջին Քիմը, հոդվածի առաջին հեղինակը, քիմիական եղանակով ստեղծեց տետրամինի կցված MOF-ը, այն առաջին իսկ փորձից գերազանցեց դիամինի ավելացված MOF-ին:

Հետազոտողները հետագայում ուսումնասիրեցին փոփոխված MOF-ի կառուցվածքը՝ օգտագործելով Berkeley Lab-ի առաջադեմ լույսի աղբյուրը՝ պարզելով, որ CO2 պոլիմերները, որոնք ծածկում են MOF-ի ծակոտիները, իրականում կապված են տետրամինների միջոցով, ինչպես սանդուղքը, որտեղ տետրամիններն են որպես աստիճաններ: Առաջին սկզբունքների խտության ֆունկցիոնալ տեսության հաշվարկները՝ օգտագործելով Cori սուպերհամակարգիչը Berkeley Lab’s National Energy Research Science Computing Center-ում (NERSC), Molecular Foundry-ի հաշվողական ռեսուրսները և համալսարանի Berkeley Research Computing ծրագրի կողմից տրամադրված ռեսուրսները հաստատեցին այս ուշագրավ կառուցվածքը, որը Լոնգի թիմն ուներ: ի սկզբանե ենթադրվում էր.

«Ես ուսումնասիրություններ եմ անում Cal-ում արդեն 23 տարի, և սա այն դեպքերից մեկն է, երբ դուք ունեք մի խելահեղ գաղափար, և այն անմիջապես ստացվեց», - ասաց Լոնգը:

Լոնգի, Քիմի և Ուեսթոնի հետ համահեղինակներն են Ջոզեֆ Ֆալկովսկին ExxonMobil-ից Ռեբեկա Սիգելմանը, Հենրի Ջիանգը, Ալեքսանդր Ֆորսը, Ջեֆրի Մարթելը, Ֆիլիպ Միլները, Ջեֆրի Ռայմերը և Ջեֆրի Նիտոնը UC Berkeley-ից և Jung-Hoon Lee-ն Berkeley Lab-ից: Նիտոնը և Ռայմերը նաև Բերկլիի լաբորատորիայի պրոֆեսորադասախոսական կազմի ավագ գիտնականներ են:


Արդյո՞ք Ալիցիկլոբակիլները արտադրում են ածխաթթու գազ: - Կենսաբանություն

Այո, մթնոլորտում ջերմոցային գազերի առատությունը մեծացնելով՝ մարդկային գործունեությունը ուժեղացնում է Երկրի բնական ջերմոցային էֆեկտը: Գրեթե բոլոր կլիմայագետները համաձայն են, որ ջերմություն գրավող գազերի այս աճը տասնիններորդ դարի վերջից ի վեր համաշխարհային միջին ջերմաստիճանի 1,8°F (1,0°C) բարձրացման հիմնական պատճառն է: Ածխածնի երկօքսիդը, մեթանը, ազոտի օքսիդը, օզոնը և տարբեր քլորոֆտորածխածինները մարդու կողմից արտանետվող ջերմային գազեր են: Դրանցից ածխաթթու գազը գիտնականների համար ամենամեծ մտահոգությունն է, քանի որ այն ավելի մեծ ընդհանուր տաքացման ազդեցություն է ունենում, քան մյուս գազերը միասին վերցրած:


Գոլորշի հոսում է Յուտա նահանգի Դելտայում գտնվող Intermountain էլեկտրակայանից: Ածուխով աշխատող այս կայանը շահագործվում է Լոս Անջելեսի Ջրի և էներգիայի դեպարտամենտի կողմից: Photo CC լիցենզիա Մեթ Հինցայի կողմից:

Ներկայումս մարդիկ տարեկան մոտ 9,5 միլիարդ տոննա ածխածին են լցնում մթնոլորտ՝ այրելով հանածո վառելիքը, ևս 1,5 միլիարդը՝ անտառահատումների և հողի ծածկույթի այլ փոփոխության միջոցով: Մարդու կողմից արտադրված այս ածխածնից անտառները և այլ բուսականությունը կլանում են տարեկան մոտ 3,2 միլիարդ մետրիկ տոննա, մինչդեռ օվկիանոսը տարեկան կլանում է մոտ 2,5 միլիարդ մետրիկ տոննա: Մթնոլորտում ամեն տարի մնում է մարդու կողմից արտադրված զուտ 5 միլիարդ տոննա ածխածին, ինչը բարձրացնում է ածխածնի երկօքսիդի համաշխարհային միջին կոնցենտրացիան տարեկան մոտ 2,3 մասով մեկ միլիոնով: 1750 թվականից ի վեր մարդիկ մոտ 50 տոկոսով ավելացրել են ածխածնի երկօքսիդի առատությունը մթնոլորտում։ Իմացեք ավելին:


Դիտեք տեսանյութը: Օդի մաքրման նոր տեխնոլոգիա է մշակվում (Դեկտեմբեր 2021).