الكمي من المعادن الثقيلة والملوثات غير العضوية الأخرى على الإنتاجية من الطحالب
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
زيادة الطلب على مصادر الطاقة المتجددة لديها الباحثين التحقيق في جدوى المواد الأولية البديلة، مثل الطحالب. وتشمل المزايا الكامنة ارتفاع العائد المحتمل، واستخدام الأراضي غير الصالحة للزراعة والتكامل مع مجاري النفايات. فإن الاحتياجات الغذائية للنظام إنتاج الطحالب على نطاق واسع يتطلب اقتران نظم زراعة بموارد النفايات الصناعية، مثل ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن والمغذيات من مياه الصرف الصحي. الملوثات غير العضوية الموجودة في هذه النفايات يمكن أن تؤدي إلى التراكم في الكتلة الحيوية الطحالب الدقيقة تؤثر سلبا على الإنتاجية والحد من الاستخدام النهائي. وتركز هذه الدراسة على تقييم تجريبي لأثر ومصير 14 الملوثات غير العضوية (باسم، الكادميوم، الكوبالت، النحاس والزئبق والمنجنيز والنيكل، والرصاص، بينالي الشارقة، سي، القصدير، V والزنك) على Nannochloropsis النمو سالينا . تم الانتهاء من زراعة الطحالب في photobioreactors مضيئة في 984 ميكرومول م -2 ثانية -1 والحفاظ على درجة الحموضة 7 في نمو مالقانونين الملوثة مع الملوثات غير العضوية في المستويات المتوقعة استنادا إلى تكوين وجدت في النظم التجارية غازات المداخن الفحم. الملوثات الموجودة في الكتلة الحيوية والمتوسطة في نهاية فترة النمو 7 أيام وتم قياس كمية تحليلي من خلال بخار بارد الامتصاص الذري الطيفي للزئبق وعن طريق إضافة بالحث البلازما الطيفي للو، الكادميوم، الكوبالت، النحاس، المنغنيز، ني، برميل، بينالي الشارقة، سي، القصدير، V والزنك. أظهرت النتائج N. سالينا هو سلالة حساسة للبيئة المتعددة المعادن مع انخفاض الإحصائي في الكتلة الحيوية yieldwith إدخال هذه الملوثات. التقنيات المعروضة هنا هي كافية لقياس نمو الطحالب وتحديد مصير الملوثات غير العضوية.
Introduction
مقارنة مع المحاصيل الأرضية التقليدية وقد ثبت الطحالب لتحقيق أعلى العوائد الكتلة الحيوية والدهن بسبب الكامنة أعلى كفاءة تحويل الطاقة الشمسية 1،2. زراعة الطحالب في معدلات إنتاجية عالية تتطلب المعروض من المواد الغذائية المختلفة بما في ذلك مصدر الكربون الخارجي. ومن المتوقع أن مرافق نمو واسع النطاق وستدمج مع مجاري النفايات الصناعية مثل غازات المداخن الصناعية من أجل تقليل تكاليف الإنتاج، وفي الوقت نفسه توفير المعالجة البيئية. الكربون النفايات الصناعية عادة في شكل ثاني أكسيد الكربون الغازي ويمكن أن تحتوي على الملوثات التي لها القدرة على التأثير سلبا على إنتاج الطحالب. على وجه التحديد، وغازات المداخن المستمدة من الفحم لديها مجموعة متنوعة من الملوثات بما في ذلك ولكن لا تقتصر على نواتج الاحتراق الماء وثاني أكسيد الكربون، فضلا عن أكاسيد الكبريت والنتروجين والغبار على ما يرام، والملوثات العضوية مثل الديوكسين والفوران، والمعارضة غير العضويةtaminants مثل المعادن الثقيلة. لم تستكشف أثر غالبية هذه الملوثات بما في ذلك غير العضوي مع بعضهم يعرف المعادن الثقيلة على الإنتاجية الطحالب. بعض هذه العناصر يمكن أن تكون المواد المغذية المفيدة على تركيزات مناسبة، ولكن بتركيزات أعلى أنها يمكن أن تنتج ضعف الخلية وحتى الموت 3.
دمج الطحالب مع غازات المداخن الصناعية لديه القدرة على إدخال مباشرة الملوثات غير العضوية إلى وسائط النمو. الفحم غاز المداخن استنادا لديها العديد من العناصر غير العضوية (على سبيل المثال، باسم، الكادميوم، الكوبالت، النحاس والزئبق والمنجنيز والنيكل، والرصاص، بينالي الشارقة، سي، القصدير، والزنك V) بتركيزات مختلفة بعضها، في البلدان المنخفضة الدخل التركيز، وتمثل المغذيات اللازمة للنمو الطحالب. الملوثات غير العضوية لديها قابلية عالية للربط الطحالب وكذلك يتم الممتص منها داخليا من خلال نقل المواد الغذائية. بعض الملوثات غير العضوية (أي شركة، النحاس، الزنك والمنجنيز) هي المواد الغذائية التي تشكل جزءا من الانزيمات إشراكد في عملية التمثيل الضوئي والتنفس وغيرها من المهام 3،4. ومع ذلك، في المعادن الزائدة والفلزات يمكن أن تكون سامة. العناصر الأخرى، مثل الرصاص والكادميوم والقصدير، بينالي الشارقة، سي، كما والزئبق، ليست معروفة لدعم وظيفة خلايا بأي تركيز وتمثل المعادن غير الغذائية التي يمكن أن تؤثر سلبا 3،5،6 نمو الثقافة. وجود أي من هذه الملوثات لديه القدرة على إحداث آثار سلبية على وظيفة خلايا الطحالب. وعلاوة على ذلك، تفاعل المعادن متعددة مع الطحالب تعقيد ديناميات النمو، ولها القدرة على التأثير النمو.
وقد الاقتصاد على نطاق واسع مرتبط مباشرة إلى إنتاجية النظام زراعة 19/07. وعلاوة على ذلك، وإعادة تدوير المتوسطة في نظام نمو الطحالب إما مفتوحة البرك القناة (ORP) أو photobioreactors (PBR) أمر بالغ الأهمية لأنها تمثل 99.9 و 99.4٪ من كتلة، على التوالي 20. وجود الملوثات غير العضوية في وسائل الإعلام يمكن أن تحد في نهاية المطاف مicroalgae الإنتاجية وإعادة التدوير وسائل الإعلام بسبب تراكم الملوثات. هذه الدراسة تجريبيا تأثير 14 الملوثات غير العضوية (باسم، الكادميوم، الكوبالت، النحاس والزئبق والمنجنيز والنيكل، والرصاص، بينالي الشارقة، سي، القصدير، V والزنك)، بتركيزات المتوقعة من تكامل نظم زراعة الطحالب مع الفحم تستمد غاز المداخن، على إنتاجية N. سالينا تزرع في PBRs النقل الجوي. وقد ثبت أن الملوثات المستخدمة في هذه الدراسة للا تكون موجودة في القائمة على الفحم غاز المداخن ولكن على أساس النفايات غاز المداخن البلدية، استنادا المخلفات الصلبة-غاز المداخن ومياه الصرف الصحي البلدية، المياه المنتجة، وضعف المياه الجوفية ومياه البحر 21-23 فقط. وتستند هذه التراكيز المستخدمة في هذه الدراسة على ما يمكن توقعه إذا تم دمج النظم نمو الطحالب مع الفحم يستند CO 2 مصدر مع كفاءة امتصاص موضح في أنظمة PBR التجارية 20. تعرض حسابات مفصلة دعم تركيزات المعادن الثقيلة والملوثات غير العضوية في نابانوآخرون. واستخدمت 24 التقنيات التحليلية لفهم توزيع غالبية المعادن في الكتلة الحيوية، وسائل الإعلام والبيئة. الأساليب المقدمة مكنت تقييم القدرة الإنتاجية من الطحالب الدقيقة تحت الضغط الملوثات غير العضوية وتقدير من مصير نهايتهم.
Protocol
Representative Results
Discussion
المالحة الطحالب N. سالينا يمكن زراعتها بنجاح في النظام النمو مصممة مع نتائج قابلة للتكرار وغلة الكتلة الحيوية العالية. النقل الجوي الاختلاط المسموح به للثقافة مع وقف التنفيذ مختلطة بشكل جيد مع الحد الأدنى من تسوية أو biofouling خلال فترات النمو 7 أيام. يظهر التباين ضو…
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).
