भारी धातुओं और सूक्ष्म शैवाल की उत्पादकता पर अन्य अकार्बनिक contaminants की मात्रा का ठहराव
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
अक्षय ईंधन के लिए मांग बढ़ रही इस तरह के सूक्ष्म शैवाल के रूप में वैकल्पिक feedstocks, की व्यवहार्यता की जांच के शोधकर्ताओं ने किया है। निहित लाभ अपशिष्ट धाराओं के साथ उच्च क्षमता उपज, गैर कृषि योग्य भूमि के उपयोग और एकीकरण शामिल हैं। एक बड़े पैमाने पर सूक्ष्म शैवाल उत्पादन प्रणाली के पोषक तत्वों की आवश्यकताओं को इस तरह के ग्रिप गैस और अपशिष्ट जल से पोषक तत्वों से कार्बन डाइऑक्साइड के रूप में औद्योगिक अपशिष्ट संसाधनों के साथ खेती प्रणालियों के युग्मन की आवश्यकता होगी। इन कचरे में मौजूद अकार्बनिक contaminants संभावित नकारात्मक रूप से उत्पादकता और सीमित अंत का उपयोग प्रभाव microalgal बायोमास में bioaccumulation करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं। इस अध्ययन के प्रभाव का प्रायोगिक मूल्यांकन और Nannochloropsis Salina विकास पर 14 अकार्बनिक contaminants (के रूप में, सीडी, सह, सीआर, कॉपर, पारा, MN, नी, पंजाब, एस.बी., एसई, एस.एन., वी और Zn) के भाग्य पर केंद्रित । सूक्ष्म शैवाल एक विकास मीटर में पीएच 7 पर 984 μmol एम -2 सेकंड में प्रबुद्ध photobioreactors में खेती -1 और बनाए रखा गयास्तरों पर अकार्बनिक contaminants के साथ प्रदूषित edia वाणिज्यिक कोयला ग्रिप गैस सिस्टम में पाया रचना के आधार पर की उम्मीद है। बायोमास और एक 7 दिन विकास की अवधि के अंत में मध्यम में मौजूद Contaminants विश्लेषणात्मक, पारा के लिए और के रूप में, सीडी, सह, सीआर, कॉपर, MN, नी के लिए उपपादन द्वारा मिलकर प्लाज्मा मास स्पेक्ट्रोमेट्री के माध्यम से ठंड वाष्प परमाणु अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री के माध्यम से मात्रा निर्धारित किया गया पंजाब, एस.बी., एसई, एस.एन., वी और Zn। परिणाम एन दिखाने सलीना इन प्रदूषणों से परिचय yieldwith बायोमास में एक सांख्यिकीय कमी के साथ बहु-धातु पर्यावरण के लिए एक संवेदनशील तनाव है। यहाँ प्रस्तुत तकनीकों शैवाल विकास बढ़ाता है और अकार्बनिक contaminants के भाग्य का निर्धारण करने के लिए पर्याप्त हैं।
Introduction
पारंपरिक स्थलीय फसलों की तुलना में सूक्ष्म शैवाल निहित उच्च सौर रूपांतरण क्षमता 1,2 के कारण उच्च बायोमास और लिपिड पैदावार प्राप्त करने के लिए दिखाया गया है। उच्च उत्पादकता दरों पर सूक्ष्म शैवाल की खेती एक बाहरी कार्बन स्रोत सहित विभिन्न पोषक तत्वों की आपूर्ति की आवश्यकता है। यह बड़े पैमाने पर विकास के लिए सुविधायें उत्पादन लागत कम करने के लिए इस तरह के औद्योगिक ग्रिप गैस के रूप में औद्योगिक अपशिष्ट धाराओं के साथ एकीकृत है और एक ही समय में पर्यावरण remediation प्रदान किया जाएगा कि उम्मीद है। औद्योगिक अपशिष्ट कार्बन गैस कार्बन डाइऑक्साइड के रूप में आम तौर पर होता है और नकारात्मक सूक्ष्म शैवाल उत्पादन को प्रभावित करने की क्षमता है कि दूषित पदार्थों को शामिल कर सकते हैं। विशेष रूप से, कोयले से व्युत्पन्न ग्रिप गैस सहित contaminants की एक किस्म है, लेकिन दहन उत्पादों पानी और कार्बन डाइऑक्साइड, साथ ही सल्फर और नाइट्रोजन, ठीक धूल, ऐसे डाइअॉॉक्सिन और furans के रूप में जैविक प्रदूषक के आक्साइड, और अकार्बनिक चुनाव तक ही सीमित नहीं होगाजैसे भारी धातुओं के रूप में taminants। सूक्ष्म शैवाल उत्पादकता पर भारी धातुओं के रूप में जाना जाता है, उनमें से कुछ के साथ Inorganics सहित इन प्रदूषणों से बहुमत के प्रभाव का पता लगाया नहीं गया है। इन तत्वों में से कुछ, उचित मात्रा में पोषक तत्वों हो सकता है हालांकि उच्च सांद्रता में वे सेल रोग और यहां तक कि मौत 3 उत्पादन कर सकते हैं।
औद्योगिक ग्रिप गैस के साथ सूक्ष्म शैवाल के एकीकरण सीधे विकास मीडिया में अकार्बनिक दूषित पदार्थों को शुरू करने की क्षमता है। कोयला आधारित ग्रिप गैस अकार्बनिक तत्वों (जैसे, सीडी, सह, सीआर, कॉपर, पारा, MN, नी, पंजाब, एस.बी., एसई, एस.एन., वी और Zn के रूप में) कुछ, जिनमें से कम में विभिन्न सांद्रता में की एक किस्म है एकाग्रता, सूक्ष्म शैवाल विकास के लिए पोषक तत्वों का प्रतिनिधित्व करते हैं। अकार्बनिक contaminants एक उच्च आत्मीयता सूक्ष्म शैवाल के लिए बाध्य करने के लिए और आगे पोषक तत्व ट्रांसपोर्टरों के माध्यम से आंतरिक रूप से sorbed जा सकते है। कुछ अकार्बनिक contaminants (यानी, सह, कॉपर, Zn और करोड़) शामिल एंजाइमों के हिस्से के रूप में पोषक तत्वों है कि कर रहे हैंप्रकाश संश्लेषण, श्वसन और अन्य कार्यों 3,4 में डी। हालांकि, अतिरिक्त धातुओं और Metalloids में विषाक्त हो सकता है। इस तरह पंजाब, सीडी, एस.एन., एस.बी., एसई, के रूप में और पारा के रूप में अन्य तत्वों, किसी भी एकाग्रता में सेल समारोह का समर्थन और नकारात्मक संस्कृति के विकास 3,5,6 पर प्रभाव पड़ सकता है, जो गैर-पोषक तत्व धातुओं का प्रतिनिधित्व करने के लिए नहीं जाना जाता है। इन contaminants में से किसी की उपस्थिति सूक्ष्म शैवाल सेल समारोह पर नकारात्मक प्रभाव का उत्पादन करने की क्षमता है। इसके अलावा, सूक्ष्म शैवाल के साथ कई धातुओं की बातचीत के विकास की गतिशीलता पेचीदा और विकास को प्रभावित करने की क्षमता है।
बड़े पैमाने पर अर्थशास्त्र सीधे खेती प्रणाली 19/07 की उत्पादकता से जोड़ा गया है। यह बड़े पैमाने पर की 99.9 शुद्ध और 99.4%, क्रमशः 20 का प्रतिनिधित्व के रूप में इसके अलावा, खुला रेसवे तालाबों (ORP) या photobioreactors के लिए या तो सूक्ष्म शैवाल विकास प्रणाली (PBR) में मध्यम पुनरावृत्ति महत्वपूर्ण है। मीडिया में अकार्बनिक contaminants की उपस्थिति अंततः मीटर तक सीमित कर सकता हैicroalgae उत्पादकता और वजह से दूषित पदार्थों का निर्माण करने के लिए मीडिया की रीसाइक्लिंग। इस अध्ययन में प्रयोगात्मक, (सीडी, सह, सीआर, कॉपर, पारा, MN, नी, पंजाब, एस.बी., एसई, एस.एन., वी और Zn के रूप में) सूक्ष्म शैवाल की खेती प्रणालियों के एकीकरण से उम्मीद की सांद्रता में 14 अकार्बनिक contaminants के प्रभाव निर्धारित कोयला एन की उत्पादकता पर, ग्रिप गैस निकाली गई साथ सलीना एयरलिफ्ट PBRs में हो। इस अध्ययन में इस्तेमाल दूषित पदार्थों को केवल कोयला आधारित ग्रिप गैस लेकिन नगर निगम के कचरे के आधार पर ग्रिप गैस, biosolids आधारित ग्रिप गैस, नगर निगम के गंदे पानी का उत्पादन किया, पानी, बिगड़ा भूजल और समुद्री जल 21-23 में मौजूद नहीं दिखाया गया है। इस अध्ययन में इस्तेमाल सांद्रता सूक्ष्म शैवाल विकास सिस्टम वाणिज्यिक PBR सिस्टम 20 में प्रदर्शन एक तेज दक्षता के साथ एक कोयला आधारित सीओ 2 के स्रोत के साथ एकीकृत कर रहे थे उम्मीद होगी, उसके आधार पर कर रहे हैं। भारी धातुओं और अकार्बनिक contaminants की सांद्रता का समर्थन विस्तृत गणना Napan में प्रस्तुत कर रहे हैंएट अल। 24 विश्लेषणात्मक तकनीकों बायोमास, मीडिया और वातावरण में धातुओं के बहुमत के वितरण को समझने के लिए इस्तेमाल किया गया। प्रस्तुत तरीकों अकार्बनिक दूषित पदार्थों को तनाव और उनके अंत भाग्य की मात्रा का ठहराव के तहत सूक्ष्म शैवाल की उत्पादकता क्षमता का आकलन सक्षम होना चाहिए।
Protocol
Representative Results
Discussion
खारा सूक्ष्म शैवाल एन सलीना सफलतापूर्वक repeatable परिणाम और उच्च बायोमास पैदावार के साथ डिजाइन विकास प्रणाली में उगाया जा सकता है। एयरलिफ्ट 7 दिन वृद्धि अवधि में कम से कम निपटाने या जैव अवरोध के साथ एक अ?…
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
- Dismukes, G. C., Carrieri, D., Bennette, N., Ananyev, G. M., Posewitz, M. C. Aquatic phototrophs: efficient alternatives to land-based crops for biofuels. Curr Opin Biotechnol. 19 (3), 235-240 (2008).
- Moody, J. W., McGinty, C. M., Quinn, J. C. Global evaluation of biofuel potential from microalgae. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (23), 8691-8696 (2014).
- Pinto, E., et al. Heavy metal-induced oxidative stress in algae. J Phycol. 39 (6), 1008-1018 (2003).
- Gupta, A., Lutsenko, S. Evolution of copper transporting ATPases in eukaryotic organisms. Curr Genomics. 13 (2), 124-133 (2012).
- Perales-Vela, H. V., Peña-Castro, J. M., Cañizares-Villanueva, R. O. Heavy metal detoxification in eukaryotic microalgae. Chemosphere. 64 (1), 1-10 (2006).
- Sandau, E., Sandau, P., Pulz, O. Heavy metal sorption by microalgae. Acta Biotechnol. 16 (4), 227-235 (1996).
- Amer, L., Adhikari, B., Pellegrino, J. Technoeconomic analysis of five microalgae-to-biofuels processes of varying complexity. Bioresour Technol. 102 (20), 9350-9359 (2011).
- Benemann, J. R., Goebel, R. P., Weissman, J. C., Augenstein, D. C. Microalgae as a source of liquid fuels. Final Technical Report, US Department of Energy, Office of Research. , (1982).
- Benemann, J. R., Oswald, W. J. Report No. DOE/PC/93204–T5 Other: ON: DE97052880; TRN: TRN. Systems and economic analysis of microalgae ponds for conversion of CO2 to biomass. , (1996).
- Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv. 25 (3), 294-306 (2007).
- Davis, R., Aden, A., Pienkos, P. T. Techno-economic analysis of autotrophic microalgae for fuel production. Applied Energy. 88 (10), 3524-3531 (2011).
- Jones, S., et al. Process design and economics for the conversion of algal biomass to hydrocarbons: whole algae hydrothermal liquefaction and upgrading. U.S. Department of Energy Bioenergy Technologies Office. , (2014).
- Lundquist, T. J., Woertz, I. C., Quinn, N. W. T., Benemann, J. R. A realistic technology and engineering assessment of algae biofuel production. Energy Biosciences Institute. , (2010).
- Nagarajan, S., Chou, S. K., Cao, S., Wu, C., Zhou, Z. An updated comprehensive techno-economic analysis of algae biodiesel. Bioresour Technol. 145, 150-156 (2011).
- Pienkos, P. T., Darzins, A. The promise and challenges of microalgal-derived biofuels. Biofuels Bioproducts & Biorefining-Biofpr. 3, 431-440 (2009).
- Richardson, J. W., Johnson, M. D., Outlaw, J. L. Economic comparison of open pond raceways to photo bio-reactors for profitable production of algae for transportation fuels in the Southwest. Algal Research. 1 (1), 93-100 (2012).
- Rogers, J. N., et al. A critical analysis of paddlewheel-driven raceway ponds for algal biofuel production at commercial scales. Algal Research. 4, 76-88 (1016).
- Sun, A., et al. Comparative cost analysis of algal oil production for biofuels. Energy. 36 (8), 5169-5179 (2011).
- Thilakaratne, R., Wright, M. M., Brown, R. C. A techno-economic analysis of microalgae remnant catalytic pyrolysis and upgrading to fuels. Fuel. 128, 104-112 (2014).
- Quinn, J. C., et al. Nannochloropsis production metrics in a scalable outdoor photobioreactor for commercial applications. Bioresour Technol. 117, 164-171 (2012).
- Borkenstein, C., Knoblechner, J., Frühwirth, H., Schagerl, M. Cultivation of Chlorella emersonii with flue gas derived from a cement plant. J Appl Phycol. 23 (1), 131-135 (2010).
- Douskova, I., et al. Simultaneous flue gas bioremediation and reduction of microalgal biomass production costs. Appl Microbiol Biotechnol. 82 (1), 179-185 (2009).
- Israel, A., Gavrieli, J., Glazer, A., Friedlander, M. Utilization of flue gas from a power plant for tank cultivation of the red seaweed Gracilaria cornea. Aquaculture. 249 (1-4), 311-316 (2012).
- Napan, K., Teng, L., Quinn, J. C., Wood, B. . Impact of Heavy Metals from Flue Gas Integration with Microalgae Production. , (2015).
- Eaton, A. D., Clesceri, L. S., Rice, E. W., Greenberg, A. E. 3. 1. 2. 5. B. Inductively coupled plasma/mass spectrometry (ICP/MS) method. Standard methods for the examination of water and wastewater. , (2005).
- Smith, M., Compton, J. S. . Matrix effects in the ICP-MS analysis of selenium in saline water samples. , (2004).
- Mehta, S. K., Gaur, J. P. Use of algae for removing heavy metal ions from wastewater: progress and prospects. Crit Rev Biotechnol. 25 (3), 113-152 (2005).
- Eaton, A. D., Clesceri, L. S., Rice, E. W., Greenberg, A. E. 3. 1. 2. 0. B. Inductively coupled plasma (ICP) method. Standard methods for the examination of water and wastewater. , (2005).
