Summary

כימות של מתכות כבדות ומזהמים אורגניים אחרים בפרודוקטיביות של מייקרו

Published: July 10, 2015
doi:

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

יש להגדיל את הביקוש לדלקים מתחדשים חוקרים חוקרים את ההיתכנות של חומר זינה חלופית, כגון מייקרו. יתרונות הגלומים כוללים תשואה גבוהה פוטנציאלית, שימוש בקרקע שאינה ראויה לעיבוד ואינטגרציה עם זרמי פסולת. הדרישות התזונתית של מערכת ייצור מייקרו בקנה מידה גדולה תדרוש הצימוד של מערכות טיפוח עם משאבי פסולת תעשייתיים, כגון פחמן דו חמצני מגז וחומרים מזינים משפכי ארובה. מזהמים אורגניים הנמצאים בפסולת אלה עלולים להוביל לפגיעים מתמשכים ביומסה microalgal להשפיע לרעה על שימוש קצה הפרודוקטיביות והגבלה. מחקר זה מתמקד בהערכה הניסיונית של ההשפעה ואת גורלם של 14 מזהמים אורגניים (כמו, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, SB, Se, Sn, V וZn) על צמיחת סלינה Nannochloropsis . מייקרו עובדו בphotobioreactors המואר ב984 מ 'μmol -2 שניות -1 ומתוחזק ב- pH 7 במ' צמיחהעדיה מזוהמת עם מזהמים אורגניים ברמות צפויות בהתבסס על הרכב שנמצא במערכות גז פליטה הפחם מסחריות. מזהמים הנמצאים ביומסה והבינוניים בסוף תקופת צמיחת 7 יום היו לכמת באופן אנליטי באמצעות ספקטרומטריית קליטה אטומית אדים קרים לHg ובאמצעות ספקטרומטר מסת פלזמה בשילוב אינדוקטיבי כל, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, SB, Se, Sn, V וZn. תוצאות מראות נ ' סלינה היא זן רגיש לסביבה מרובה מתכת עם ירידה סטטיסטית ביומסה yieldwith ההקדמה של מזהמים אלה. הטכניקות שהוצגו כאן הן נאותות לכימות צמיחת אצות וקביעת גורלם של מזהמים אורגניים.

Introduction

בהשוואה לגידולים יבשתיים מסורתיים מייקרו הוכח להשיג תשואות בשל יעילות גבוהה יותר הגלומה המרת שמש 1,2 גבוהות יותר ביומסה ושומנים בדם. טיפוח של מייקרו בשיעורי פריון גבוהים דורש האספקה ​​של חומרים מזינים שונים, כולל מקור פחמן חיצוני. צפוי כי מתקני גידול בקנה מידה גדולה ישולבו עם זרמי פסולת תעשייתיים כגון גז פליטה תעשייתי על מנת למזער את עלויות ייצור ובו בזמן לספק תיקון סביבתי. פחמן פסולת תעשייתי הוא בדרך כלל בצורה של גזי פחמן דו חמצני ויכול להכיל חומרים מזהמים שיש פוטנציאל להשפיע באופן שלילי ייצור מייקרו. באופן ספציפי, גז פליטה נובע מפחם יהיה מגוון של מזהמים כוללים אך לא מוגבל למים מוצרי בעירה ופחמן דו חמצני, כמו גם תחמוצות גופרית וחנקן, אבק דק, מזהמים אורגניים כגון דיאוקסינים ופורנים, ונגד אי-אורגניtaminants כגון מתכות כבדות. ההשפעה של רוב המזהמים אלה כוללים inorganics עם חלק מהם ידועים כמתכות כבדות על תפוקת מייקרו לא נחקרה. חלק מאלמנטים אלו יכולים להיות חומרים מזינים בריכוזים מתאימים, אולם בריכוזים גבוהים יותר הם יכולים לייצר בעיות בתפקוד תא ואף למוות 3.

השילוב של מייקרו עם גז פליטה תעשייתי יש את הפוטנציאל להציג ישירות מזהמים אורגניים לתקשורת צמיחה. יש גז פליטה מבוססת פחם מגוון רחב של אלמנטים אורגניים (למשל, כ, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, SB, Se, Sn, V וZn) בריכוזים שונים שחלקם, בנמוך ריכוז, מייצגים חומרים מזינים לצמיחת אצות. מזהמים אורגניים יש זיקה גבוהה להיקשר למייקר ועוד יותר להיות sorbed פנימי באמצעות מובילי מזין. כמה מזהמים אורגניים (כלומר, Co, Cu, Zn וMn) הם חומרים מזינים שמהווים חלק מאנזימים כרוךד בפוטוסינתזה, נשימה ופונקציות אחרות 3,4. עם זאת, במתכות וmetalloids עודפות יכול להיות רעיל. אלמנטים אחרים, כגון Pb, Cd, Sn, SB, Se, וכמ"כ, אינם ידועים לתמיכה בתפקוד תא בכל ריכוז ומייצגים מתכות לא מזינים שיכול להשפיע באופן שלילי 3,5,6 צמיחת התרבות. הנוכחות של כל אחד ממזהמים אלה יש הפוטנציאל לייצר השפעות שליליות על תפקוד תאי מייקרו. יתר על כן, האינטראקציה של מתכות מרובות עם מייקרו מסבכת דינמיקת צמיחה ויש לו הפוטנציאל להשפיע על צמיחה.

כלכלה בקנה מידה גדולה נקשרה ישירות לתפוקה של מערכת הטיפוח 7-19. יתר על כן, מחזור בינוני במערכת מייקרו הצמיחה לשתי בריכות פתוחות מסילה (ORP) או photobioreactors (PBR) הוא קריטי שכן היא מייצגת 99.9 ו99.4% מהמסה, בהתאמה 20. הנוכחות של מזהמים אורגניים בתקשורת סופו של דבר עלולה להגביל מ 'פריון icroalgae והמחזור של תקשורת בשל הצטברות מזהם. מחקר זה נקבע באופן ניסיוני את ההשפעה של 14 מזהמים אורגניים (כמו, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, SB, Se, Sn, V וZn), בריכוזים צפויים מהאינטגרציה של מערכות מייקר טיפוח עם פחם נגזר גז פליטה, על הפרודוקטיביות של נ ' סלינה גדלה בPBRs הרכבת האווירית. המזהמים ששמשו במחקר זה הוכחו לא רק בהווה בגז מבוסס פחם ארובה אבל גז פליטה המבוססת על פסולת עירוני, גז פליטה מבוסס biosolids, שפכים עירוניים, מים מיוצרים, מי תהום ומי ים לקוי 21-23. הריכוזים המשמשים במחקר זה מבוססים על מה שניתן היה לצפות, אם מערכות גידול מייקרו שולבו עם מקור CO 2 מבוסס פחם עם יעילות ספיגה הפגינה במערכות PBR מסחריות 20. חישובים מפורטים התומכים בריכוזים של המתכות הכבדות ומזהמים אורגניים מוצגים בNapanet al. 24 טכניקות אנליטיות שמשו להבין את ההפצה של רוב המתכות ביומסה, התקשורת ואיכות הסביבה. השיטות שהוצגו אפשרו להערכת פוטנציאל פריון של מייקרו תחת לחץ מזהם אורגני וכימות של גורל הקצה שלהם.

Protocol

מערכת 1. צמיחה איור 1. מייקרו מערכת צמיחה. () Rotometer אוויר, (ב) CO 2 rotometer, בקר pH (C) עם סולנואיד, נתונים לוגר (ד), (ה)</stron…

Representative Results

תשואות ביומסה ייצור של נ ' סלינה גדלה במערכת PBR שימשה במחקר זה מז 1 / L -1 ל -8.5 ± 0.19 g / L -1 (N = 12) לכורי שליטה ו± 4.0 L / 0.3 G -1 (N = 12) ל רב-מתכת מזוהמת ב -7 ימים. הניסויים מיוצרים נתונים הדיר פני כורי שלושה עותקים וקבוצות מ?…

Discussion

נ 'מייקרו המלוח סלינה ניתן לגדל בהצלחה במערכת הצמיחה נועדה עם תוצאות הדיר ותשואות גבוהות ביומסה. רכבת אווירית ערבוב אפשרה לתרבות מושעה מעורבת היטב עם יישוב או biofouling מינימאליים על פני תקופות צמיחה של 7 ימים. השתנות האור מינימליות על פני בנק אור הניאון מוצג?…

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Pinto, E., et al. Heavy metal-induced oxidative stress in algae. J Phycol. 39 (6), 1008-1018 (2003).
  4. Gupta, A., Lutsenko, S. Evolution of copper transporting ATPases in eukaryotic organisms. Curr Genomics. 13 (2), 124-133 (2012).
  5. Perales-Vela, H. V., Peña-Castro, J. M., Cañizares-Villanueva, R. O. Heavy metal detoxification in eukaryotic microalgae. Chemosphere. 64 (1), 1-10 (2006).
  6. Sandau, E., Sandau, P., Pulz, O. Heavy metal sorption by microalgae. Acta Biotechnol. 16 (4), 227-235 (1996).
  7. Amer, L., Adhikari, B., Pellegrino, J. Technoeconomic analysis of five microalgae-to-biofuels processes of varying complexity. Bioresour Technol. 102 (20), 9350-9359 (2011).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv. 25 (3), 294-306 (2007).
  11. Davis, R., Aden, A., Pienkos, P. T. Techno-economic analysis of autotrophic microalgae for fuel production. Applied Energy. 88 (10), 3524-3531 (2011).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Pienkos, P. T., Darzins, A. The promise and challenges of microalgal-derived biofuels. Biofuels Bioproducts & Biorefining-Biofpr. 3, 431-440 (2009).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Sun, A., et al. Comparative cost analysis of algal oil production for biofuels. Energy. 36 (8), 5169-5179 (2011).
  19. 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).
  20. Quinn, J. C., et al. Nannochloropsis production metrics in a scalable outdoor photobioreactor for commercial applications. Bioresour Technol. 117, 164-171 (2012).
  21. 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).
  22. Douskova, I., et al. Simultaneous flue gas bioremediation and reduction of microalgal biomass production costs. Appl Microbiol Biotechnol. 82 (1), 179-185 (2009).
  23. 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).
  24. Napan, K., Teng, L., Quinn, J. C., Wood, B. . Impact of Heavy Metals from Flue Gas Integration with Microalgae Production. , (2015).
  25. 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).
  26. Smith, M., Compton, J. S. . Matrix effects in the ICP-MS analysis of selenium in saline water samples. , (2004).
  27. 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).
  28. 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).
check_url/es/52936?article_type=t

Play Video

Citar este artículo
Napan, K., Hess, D., McNeil, B., Quinn, J. C. Quantification of Heavy Metals and Other Inorganic Contaminants on the Productivity of Microalgae. J. Vis. Exp. (101), e52936, doi:10.3791/52936 (2015).

View Video