중금속과 미세 조류의 생산성에 다른 무기 오염 물질의 정량화
Summary
Integration of microalgal cultivation with industrial flue gas will ultimately introduce heavy metals and other inorganic compounds into the growth media. This study presents a procedure used to determine the end fate and impact of heavy metals and inorganic contaminants on the growth of Nannochloropsis salina grown in photobioreactors.
Abstract
재생 연료에 대한 수요의 증가와 같은 미세 조류 등의 대체 원료의 가능성을 조사하는 연구가있다. 고유의 장점은 폐기물 높은 잠재적 인 수율, 비 경작지의 사용 및 통합을 포함한다. 미세 조류 대량 생산 시스템의 영양 요구는 배기 가스와 폐수로부터 영양분 이산화탄소 등의 산업 폐기물 자원으로 재배 시스템의 결합을 필요로 할 것이다. 이 폐기물에 존재하는 무기 오염 물질은 잠재적으로 부정적인 생산성과 제한 최종 사용에 영향을 미칠 미세 조류 바이오 매스의 생물 축적으로 이어질 수 있습니다. 이 연구는 충격의 실험 평가 및 Nannochloropsis의 살리나 성장에 14 무기 오염 물질 (AS, CD, 공동, CR, 구리, 수은, 망간, 니켈, 납 (SB), 셀레늄, 주석, V 및 아연)의 운명에 초점을 맞추고 . 미세 조류는 성장 M에서의 pH 7에서 984 μmol m -2 초에 조명 광 바이오 반응기에서 재배 -1 유지되었다수준의 무기 오염 물질로 오염 edia 상업적 석탄 연소 가스 시스템으로 볼 조성물을 기준으로 예상했다. 바이오 매스와 7 일간 성장 기간 말 매질에 존재 오염 분석적, 수은과 같이, CD 공동 CR, 구리, 망간, 니켈을위한 유도 결합 플라즈마 질량 분석을 통해 차가운 증기를 원자 흡광 법으로 정량 하였다 납 (SB), 셀레늄, 주석, V 및 아연. 결과는 N.을 보여 살리나 이러한 오염물 도입 yieldwith 생물량 통계적 감소에 다중 금속 환경에 민감한 균주이다. 여기에 제시된 기술은 조류 성장을 정량화 및 무기 오염 물질의 운명을 결정하기에 적합.
Introduction
기존의 지상파 작물에 비해 더 높은 고유의 미세 조류는 태양 광 변환 효율 1,2- 인한 높은 생물량, 지질 및 수율을 달성하는 것으로 나타났다. 높은 생산성 속도에서 미세 조류의 배양은 외부 탄소원 등 다양한 영양소의 공급을 필요로한다. 이는 대규모 성장 설비 생산 비용을 최소화하기 위해 이러한 산업 연도 가스와 같은 산업 폐기물과 통합하고 동시에 환경 개선을 제공 할 것으로 기대된다. 산업 폐기물 탄소 기체 이산화탄소의 형태로 일반적으로 부정적인 미세 조류의 생산에 영향을 미칠 가능성이있는 오염 물질을 함유 할 수있다. 특히, 석탄 유래의 배기 가스를 포함한 다양한 오염 물질이 있지만 연소 생성물을 물과 이산화탄소뿐만 아니라 황 및 질소, 미세 먼지, 다이옥신과 퓨란 등의 유기 오염 물질의 산화물 및 무기 콘에 한정되지중금속 등 오염 물질도. 미세 조류의 생산성에 중금속으로 알려져 그들 중 일부와 무기물을 포함하여 이러한 오염 물질의 대부분의 영향은 탐구되지 않았다. 이러한 요소 중 일부는 적절한 농도의 영양분이 될 수 있지만 더 높은 농도에서 그들은 세포 기능 장애 및 사망 3를 생성 할 수 있습니다.
산업 연도 가스와 미세 조류의 통합은 직접 성장 배지 내로의 무기 오염 물질을 도입 할 가능성이있다. 석탄 기반의 배기 가스는 무기 요소 (예를 들면, CD, 공동, CR, 구리, 수은, 망간, 니켈, 납 (SB), 셀레늄, 주석, V 및 아연,로) 일부, 그 중 낮은에 다양한 농도에서의 숙박을 제공합니다 농도, 미세 조류의 성장을위한 영양분을 나타냅니다. 무기 오염 물질은 높은 친화력이 미세 조류에 결합하고 더 영양 운송을 통해 내부적으로 흡착 할 수있다. 일부 무기 오염물 (즉, CO, 구리, 아연 및 Mn)을 포함하는 효소의 일부를 형성 영양소광합성, 호흡 및 기타 기능 3,4에서 D. 그러나, 초과 금속 및 준 금속에 독성이 될 수 있습니다. 이러한 납, 카드뮴, 주석 (SB), 셀레늄로서 수은과 같은 다른 요소는 임의의 농도에서 세포의 기능을 지원하고 부정적인 배양 -3,5,6- 성장에 영향을 미칠 수있는 비 – 금속 영양소를 나타내는 알려져 있지 않다. 이러한 오염 물질의 임의의 존재는 미세 조류 세포 기능에 부정적인 영향을 생산할 수있는 잠재력을 가지고있다. 또한, 미세 조류 여러 금속의 상호 작용 성장 역학을 복잡하게하고 성장에 영향을 미칠 가능성이있다.
대규모 경제 직접 재배 시스템 7-19의 생산성에 연결되어있다. 이 질량의 99.9 및 99.4 %, 각각 20를 나타냅니다 더욱이, 개방 궤도 연못 (ORP) 또는 광 바이오 반응기 중의 미세 조류의 성장 시스템 (PBR) 중간 재활용이 중요하다. 미디어 무기 오염 물질의 존재는 궁극적으로 m을 제한 할icroalgae 생산성 인해 오염 물질 축적에 미디어의 재활용. 이 연구는 실험적으로, (CD, 공동, CR, 구리, 수은, 망간, 니켈, 납 (SB), 셀레늄, 주석, V 및 아연,로) 미세 조류 재배 시스템의 통합을 예상 농도에서 14 무기 오염 물질의 영향을 결정 석탄은 N의 생산성, 배기 가스를 유도로 살리나는 공수의 PBRS에서 성장. 이 연구에 사용 된 오염 물질은 석탄 기반의 연도 가스 그러나 생활 폐기물 기반 연도 가스, 바이오 솔리드 기반의 연도 가스, 하수, 생성 된 물, 장애인 지하수 및 해수 21-23에 존재하지 않을 것으로 나타났다. 본 연구에 사용 된 농도는 미세 조류 성장 시스템은 상업용 PBR 시스템 (20)에서 입증 흡수 효율 석탄계 CO 2 소스와 통합 된 경우 예상되는 것에 기초한다. 중금속 및 무기 오염 물질의 농도를지지 상세한 계산 Napan에 제시등. 24 분석 기술은 바이오 매스 미디어 환경에서 금속의 대부분의 분포를 이해하기 위해 사용되었다. 제시된 방법은 무기 오염 물질 스트레스와 최종 운명의 정량에서 미세 조류의 생산성 잠재력의 평가를 활성화.
Protocol
Representative Results
Discussion
식염수 미세 조류의 N. 살리나 성공적으로 반복 가능한 결과와 높은 바이오 매스 수율 설계 성장 시스템에서 재배 할 수있다. 공수는 7 일 성장 기간 동안 최소한의 정착 또는의 생물 연료와 잘 혼합 중지 문화 허용 혼합. 형광등 은행에서 최소한의 빛의 변화는 성장에 눈에 띄는 차이를 생산하지 표시됩니다.
이 연구는 중금속 석탄 연소 가스에 부정적인 영향을 바이오…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge funding from the National Science Foundation (award # 1335550), Utah Water Research Laboratory, Professor Joan McLean and Tessa Guy for their help during the metal/metalloids analysis. The authors also thank Laura Birkhold for her support with the data collection and Danna Olbright.
Materials
| Chemicals | |||
| Sodium chloride | Fisher Scientific | S271-3 | |
| Calcium chloride dihydrate | Fisher Scientific | C79-500 | |
| Potassium chloride | Fisher Scientific | P217-500 | |
| Sodium meta silicate nonahydrate | Fisher Scientific | S408-500 | |
| Magnesium sulfate heptahydrate | Fisher Scientific | M63-500 | |
| Potassium nitrate | EMD Chemical | PX1520-5 | |
| Potassium phosphate monobasic | Fisher Scientific | P285-500 | |
| Ammonium ferric citrate | Fisher Scientific | I72-500 | |
| Boric acid | Fisher Scientific | A73-500 | |
| Sodium molybdate, dihydrate | EMD Chemical | SX0650-2 | |
| Manganese chloride tetrahydrate | Fisher Scientific | M87-500 | |
| Zinc sulfate heptahydrate | Fisher Scientific | Z68-500 | |
| Cupric sulfate pentahydrate | Fisher Scientific | C489-500 | |
| Biotin | Acros Organics | 230090010 | |
| Thiamine | Acros Organics | 148990100 | |
| Vitamin B12 | Acros Organics | 405920010 | |
| Copper (II) chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | 221783-100G | Irritant, Dangerous to the Environment |
| Lead (II) chloride | Sigma-Aldrich | 268690-250G | Toxic, Dangerous to the Environment |
| Sodium dichromate dihydrate | Sigma-Aldrich | 398063-100G | Oxidizing, Highly Toxic, Dangerous to the Environment |
| Cobalt (II) chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich | 255599-100G | Toxic, Dangerous to the Environment |
| Nickel (II) chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich | 223387-500G | Toxic, Dangerous to the Environment |
| Sodium (meta) arsenite | Sigma-Aldrich | 71287 | Toxic, Dangerous to the Environment |
| Cadmium chloride | Sigma-Aldrich | 202908-10G | Highly Toxic, Dangerous to the Environment |
| Mercury (II) chloride | Sigma-Aldrich | 215465-100G | Toxic, Dangerous to the Environment |
| Tin (II) chloride dihydrate | Fisher Scientific | T142-500 | Corrosive. Suitable for Hg analysis. Very hazardous. |
| Manganese chloride tetrahydrate | Fisher Scientific | M87-500 | |
| Vanadium (V) oxide | Acros Organics | 206422500 | Dangerous to the Environment |
| Carbon dioxide | Air Liquide | I2301S-1 | Compressed |
| Hydrogen peroxide | H325-500 | Fisher Scientific | 30% in water |
| ICP-MS standard | ICP-MS-6020 | High Purity Standards | |
| Mercury standard | CGHG1-1 | Inorganic Ventures | 1000±6 µg/mL in 5% nitric acid |
| Argon | Air Liquide | Compressed | |
| Helium | Air Liquide | Compressed, ultra high purity | |
| Hydrogen | Air Liquide | Compressed, ultra high purity | |
| Nitric acid | Fisher Scientific | A509-P212 | 67-70% nitric acid, trace metal grade. Caution: manipulate under fume hood. |
| Hydrochloric acid | Fisher Scientific | A508-P212 | 35% hydrochloric acid, trace metal grade. Caution: manipulate under fume hood. |
| Equipment | |||
| Scientific prevacuum sterilizer | Steris | 31626A | SV-120 |
| Centrifuge | Thermo Fisher | 46910 | RC-6 Plus |
| Spectrophotometer | Shimadzu | 1867 | UV-1800 |
| pH controller | Hanna | BL981411 | X4 |
| Rotometer, X5 | Dwyer | RMA-151-SSV | T31Y |
| Rotometer, X5 | Dwyer | RMA-26-SSV | T35Y |
| Water bath circulator | Fisher Scientific | 13-873-45A | |
| Compact chiller | VWR | 13270-120 | |
| Freeze dryer | Labconco | 7752020 | |
| Stir plate | Fisher Scientific | 11-100-49S | |
| pH lab electrode | Phidgets Inc | 3550 | |
| Inductively coupled plasma mass spectrometer | Agilent Technologies | 7700 Series ICP-MS | Attached to autosampler CETAC ASX-520 |
| FIAS 100 | Perkin Elmer Instruments | B0506520 | |
| Atomic absorption spectrometer | Perkin Elmer Instruments | AAnalyst 800 | |
| Cell heater (quartz) | Perkin Elmer Instruments | B3120397 | |
| Microwave | Milestone | Programmable, maximum power 1200 W | |
| Microwave rotor | Milestone | Rotor with 24 75 mL Teflon vessels for closed-vessel microwave assisted digestion. | |
| Materials | |||
| 0.2 micron syringe filter | Whatman | 6713-0425 | |
| 0.2 micron syringe filter | Whatman | 6713-1650 | |
| 0.45 micron syringe filter | Thermo Fisher | F2500-3 | |
| Polystyrene tubes | Evergreen | 222-2094-050 | 17×100 mm w/cap, 16 mL, polysteryne |
| Octogonal magnetic stir bars | Fisher scientific | 14-513-60 | Magnets encased in PTFE fluoropolymer |
Referencias
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