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.
Toenemende vraag naar hernieuwbare brandstoffen heeft onderzoekers het onderzoek naar de haalbaarheid van alternatieve grondstoffen, zoals microalgen. Inherente voordelen omvatten hoge potentiële opbrengst, het gebruik van niet-landbouwgrond en de integratie met afvalstromen. De voedingsbehoefte van een grootschalig productiestelsel microalgen de koppeling van kweeksystemen met industrieel afval middelen, zoals kooldioxide uit rookgas en voedingsstoffen uit het afvalwater vereist. Anorganische verontreinigingen aanwezig in deze afvalstoffen kan mogelijk leiden tot bioaccumulatie in microalgen biomassa productiviteit en het beperken van eindgebruik negatieve invloed. Dit onderzoek richt zich op de experimentele evaluatie van de impact en het lot van de 14 anorganische verontreinigingen (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V en Zn) op Nannochloropsis Salina groei . Microalgen werden fotobioreactoren verlicht 984 umol m -2 s -1 gekweekt en gehouden op pH 7 in een groei media vervuild met anorganische verontreinigingen op niveaus verwacht op basis van de samenstelling bij commerciële steenkool rookgasinstallaties. Verontreinigingen in de biomassa en het medium aan het einde van een 7 dagen groeiperiode werden analytisch gekwantificeerd door koude damp-atomaire absorptiespectrometrie voor Hg en door inductief gekoppeld plasma massa spectrometrie voor As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V en Zn. Resultaten tonen N. salina is een gevoelige stam multi-metal omgeving met een statistische vermindering van biomassa yieldwith de invoering van deze verontreinigingen. De hier gepresenteerde technieken zijn geschikt voor het kwantificeren algengroei en het bepalen van het lot van anorganische verontreinigingen.
Vergeleken met traditionele vaste gewassen microalgen bleken sterke groei en lipide-opbrengst als gevolg van inherente hogere solar rendementen 1,2 bereiken. Teelt van microalgen bij hoge productiviteit vereist de levering van verschillende voedingsstoffen, waaronder een externe koolstofbron. Verwacht wordt dat grootschalige groei installaties worden geïntegreerd industriële afvalstromen zoals industriële rookgas teneinde productiekosten te minimaliseren en tegelijkertijd verschaffen herstel van het milieu. Bedrijfsafval koolstof typisch in de vorm van gasvormig koolstofdioxide en kunnen verontreinigingen die het potentieel negatieve effect microalgen produktie hebben bevatten. Concreet zal rookgas afkomstig uit steenkool verschillende contaminanten zoals maar niet beperkt tot verbrandingsproducten water en kooldioxide, evenals zwavel- en stikstof, fijn stof, organische verontreinigingen zoals dioxinen en furanen en anorganische converontreinigingen zoals zware metalen. De gevolgen van de meeste van deze verontreinigingen waaronder anorganische waarbij sommige zogenaamde zware metalen op de productiviteit microalgen niet zijn onderzocht. Enkele van deze elementen kunnen nutriënten in geschikte concentraties, maar bij hogere concentraties ze celdisfunctie en zelfs de dood 3 kan produceren.
De integratie van microalgen industriële rookgas heeft het potentieel om anorganische verontreinigingen direct introduceren in groeimedia. Kolengestookte rookgassen verschillende anorganische elementen (bijvoorbeeld As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V en Zn) bij verschillende concentraties waarvan sommige, in low concentratie, vertegenwoordigen voedingsstoffen voor microalgen groei. Anorganische verontreinigingen hebben een hoge affiniteit te binden aan algen en verder inwendig gesorbeerd door de nutriënt transporters. Sommige anorganische verontreinigingen (dwz, Co, Cu, Zn en Mn) zijn voedingsstoffen die onderdeel vormen van de enzymen te betrekkend in de fotosynthese, ademhaling en andere functies 3,4. Echter, dan metalen en metalloïden kunnen giftig zijn. Andere elementen, zoals Pb, Cd, Sn, Sb, Se, As en Hg, zijn niet bekend om celfunctie te ondersteunen in elke concentratie en vertegenwoordigen niet-voedingsstof metalen, die een negatieve invloed zouden kunnen hebben groei cultuur 3,5,6. De aanwezigheid van deze stoffen heeft het potentieel om negatieve effecten op celfunctie microalgen produceren. Verder is de interactie van meerdere metalen met microalgen bemoeilijkt groeidynamiek en heeft het potentieel om de groei beïnvloeden.
Grootschalige economie zijn rechtstreeks gekoppeld aan de productiviteit van het teeltsysteem 7-19. Bovendien medium recyclen in de microalgen groei voor of open loopvlak vijvers (ORP) of fotobioreactoren (PBR) is kritisch als het vertegenwoordigt 99,9 en 99,4% van de massa, respectievelijk 20. De aanwezigheid van anorganische verontreinigingen in de media kan uiteindelijk m beperkenicroalgae productiviteit en de recycling van de media te wijten aan verontreiniging opbouw. Deze studie experimenteel bepaalde het effect van 14 anorganische verontreinigingen (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V en Zn) in concentraties verwacht van de integratie van microalgen kweeksystemen kolen afgeleide rookgas, de productiviteit van N. Salina geteeld in airlift PBRS. De verontreinigingen die in deze studie is aangetoond dat niet alleen aanwezig in steenkool gebaseerde rookgas maar gemeentelijk afval op basis van rookgas, biosolids gebaseerde rookgas, gemeentelijk afvalwater, geproduceerd water, verminderde grondwater en zeewater 21-23 zijn. De concentraties die in deze studie zijn gebaseerd op wat zou worden verwacht wanneer microalgen groeisystemen geïntegreerd met een kolengestookte CO 2 bron met een opname-efficiëntie aangetoond in commerciële systemen PBR 20. Gedetailleerde berekeningen ondersteunen van de concentraties van de zware metalen en anorganische verontreinigingen worden in Napanet al. 24 analytische technieken gebruikt om de verdeling van de meerderheid van de metalen in de biomassa, media en omgeving te begrijpen. De gepresenteerde methoden kon de evaluatie van de productiviteit potentieel van microalgen onder anorganische verontreinigende stress en kwantificering van hun einde lot.
Saline microalgen N. salina succes kunnen worden geteeld in de ontworpen groeisysteem met herhaalbare resultaten en hoge opbrengsten biomassa. Airlift mengen toegestaan voor een goed gemengde opgeschort cultuur met minimale bezinken of biofouling over de perioden van 7 dagen groei. De minimale licht variabiliteit over de tl-licht bank is ook aangetoond dat niet tot merkbare verschillen in groei.
De studie toont met zware metalen verontreinigde media bij concentraties represent…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |