נושא הפרוייקט
מספר פרוייקט
מחלקה
שמות סטודנטים
אימייל
שמות מנחים
גיבוש של קלציום קרבונט (CaCO3) בנוכחות האנזים קרבוניק אנהידראז (CA) על גבי משטחים
Synergic carbonic anhydrase CaCO3 deposition on organic template
תקציר בעיברית
הצטברות פחמן דו חמצני באטמוספירה כתוצאה משריפת דלקים מאובנים עלתה באופן משמעותי מאז החלה המהפכה התעשייתית במחצית המאה ה-19. שימוש בדלקים מאובנים לתחבורה, ייצור מלט, תעשייה ועוד, יחד עם גזי חממה נוספים, גורם ל"אפקט חממה" בו הפחמן הדו חמצני בולע קרינת חום הנפלטת מפני כדור הארץ ובכך גורם להתחממות האטמוספירה ובעקבותיה להמסת קרחונים ועליית מפלס פני הים. בנוסף, הפחמן הדו חמצני באוויר הינו חלק ממערכת הקרבונט ונמצא בשווי משקל עם מי האוקיינוסים תוך יצירת חומצה קרבונית (H2CO3) מה שהופך את המים לחומציים יותר. החמצת מי האוקיינוס גורמת להמסה של שלדים קרבונטיים כמו אלמוגים וצדפות, דבר המשנה את הסביבה הימית ומקשה על חלק מהאורגניזמים הימיים לשרוד. מחקר זה מתחקה אחר תגובה כימית ביולוגית אשר מתרחשת אצל מרבית היצורים הימיים, היוצרים את השלד החיצוני שלהם מגיר (CaCO₃) שמקורו בפחמן הדו חמצני המומס במי הים. בעבודה זו אנו יוצרים מערכת ביומימטית בהשראת עקרונות ביולוגיים של שיקוע גיר הכוללת מצע מבני המעודד נוקלאציה מכוונת ואנזים קרבוניק אנהידראז (CA). אנזים זה מזרז את הדיסוסיאציה של חומצה קרבונית לביקרבונט(HCO₃⁻) . בפרויקט זה המערכת הביומימטית כוללת מצע PDA הספציפי לגיבוש קלציט על מישור (012) ואנזים CA לצורך הגברת אספקת יוני קרבונט למערכת הגיבוש. המערכת הניסויית כוללת אינקובטור המוצב על מיקרוסקופ ומערכת בקרת גזים המזרימה אל פלטת הבאריות אוויר בהרכב 5% פחמן דו חמצני. ניסוי גיבוש הקלציט האופייני מתבצע לפרקי זמן שונים (5-60 דקות), בסיומן נמדדת הירידה ב- pH כמדד לכמות הגיר ששקע. לצורך זיהוי מורפולוגי של הגבישים התבצע ניתוח תמונות ב- SEM ולמציאת הפאזה המתקבלת נעשית בדיקה ב-X-ray diffraction (XRD) . מתוצאות הניסויים ניתן לראות כי מתקבלים גבישי וטריט וגבישי קלציט. כלומר, מצע ה-PDA מכוון את הגבישים להתגבש באוריינטציה המתאימה לו (012) רק בחלק מהמקרים, ובנוסף ייתכן שהגביש משנה את צורתו בפרקי הזמן השונים. כמו כן, בהתאם למצופה, שימוש באנזים CA אכן מזרז את התגובה הכימית דבר המתבטא בקבלת מספר רב יותר גבישים. עם זאת, פיתוח של מערכת סינרגטית כזו טומן בחובו הבטחה להתמודדות עם האתגרים של קיבוע פחמן ולהפחתת ההשפעות השליליות של פליטת CO2 לסביבה.
תקציר באנגלית
Synergistic Approach for Enhanced Carbon Capture and Mineralization: Combining Carbonic Anhydrase with Nucleation Templates Abstract: The increasing anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions pose significant threats to global environments, including global warming, ocean acidification, and impairment of the marine biosphere. Calcium carbonate (CaCO3) precipitation by calcifying organisms plays a crucial role in the global carbon cycle, removing CO2 from the atmosphere. However, the efficiency of calcification has been negatively impacted by rising CO2 levels, leading to decreased calcification rates and weakened skeletal structures. Carbonic anhydrase (CA) is a ubiquitous enzyme found in calcifying organisms that facilitates the transformation of dissolved CO2 into carbonic acid, subsequently generating carbonate ions essential for calcification. In this study, we propose a synergistic and biomimetic mineralization system by harnessing the catalytic power of CA in conjunction with nucleation templates, such as polydiacetylene (PDA) films or specific mollusk shell proteins known for inducing calcite nucleation selectively from the (012) plane. We hypothesize that the combination of CA and nucleation templates will significantly enhance the rate of mineral precipitation from super-saturated solutions. The interaction between the flux of carbonate ions provided by CA and the nucleation template is expected to promote efficient crystal nucleation by lowering the free energy barrier. This synergistic approach holds the potential to increase CO2 capture from super-saturated solutions, making it a promising strategy for carbon sequestration. Furthermore, we envision the implementation of this system in conjunction with power plant smokestacks and desalination plant effluent brine, utilizing their CO2 emissions and soluble calcium ions as sources, respectively. This application offers a potential solution for capturing CO2 while simultaneously providing a use for industrial waste streams. However, the practicality, scalability, cost-effectiveness, and potential environmental impacts of this approach need to be carefully evaluated. Nevertheless, the development of such a synergistic system holds promise for addressing the challenges of carbon sequestration and mitigating the adverse effects of anthropogenic CO2 emissions on the environment.