Quantificazione dei metalli pesanti e altri contaminanti inorganici sulla produttività delle microalghe
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
La crescente domanda di carburanti rinnovabili ha ricercatori che studiano la fattibilità di materie prime alternative, come microalghe. Vantaggi intrinseci includono ad alto rendimento potenziale, l'uso di terreni non coltivabili e l'integrazione con i flussi di rifiuti. Le esigenze nutrizionali di un sistema di produzione di microalghe su larga scala richiederà l'accoppiamento dei sistemi di coltivazione con le risorse dei rifiuti industriali, come l'anidride carbonica dai gas di scarico e le sostanze nutrienti dalle acque reflue. Contaminanti inorganici presenti in tali rifiuti possono potenzialmente portare a bioaccumulo in biomassa microalgale impatto negativo dell'uso finale produttività e limitante. Questo studio si concentra sulla valutazione sperimentale dell'impatto e il destino di 14 contaminanti inorganici (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V e Zn) sulla crescita salina Nannochloropsis . Le microalghe sono state coltivate in fotobioreattori illuminato di 984 mmol m-2 sec -1 e mantenuta a pH 7 in una crescita del media inquinata con contaminanti inorganici a livelli previsti basato sulla composizione si trovano in sistemi di gas di scarico del carbone commerciali. Contaminanti presenti nella biomassa e mezzo alla fine di un periodo di crescita del 7 giorno erano analiticamente quantificate mediante vapore freddo spettrometria ad assorbimento atomico per Hg e mediante spettrometria di massa ad accoppiamento induttivo plasma per As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V e Zn. I risultati mostrano N. salina è un ceppo sensibile all'ambiente multi-metallo con una diminuzione statistica della biomassa yieldwith l'introduzione di questi contaminanti. Le tecniche qui presentate sono adeguate per quantificare la crescita delle alghe e determinare il destino di contaminanti inorganici.
Introduction
Rispetto alle colture tradizionali terrestri microalghe hanno dimostrato di ottenere biomassa e lipidi rendimenti più elevati a causa intrinseche elevate efficienze di conversione solare 1,2. La coltivazione di microalghe ad alti tassi di produttività richiede la fornitura di vari nutrienti, tra cui una fonte di carbonio esterna. Si prevede che le strutture di crescita grandi saranno integrati con flussi di rifiuti industriali quali fumi industriali per minimizzare i costi di produzione e allo stesso tempo fornire bonifica ambientale. Carbonio Rifiuti industriali è in genere sotto forma di anidride carbonica gassosa e può contenere contaminanti che hanno il potenziale per avere un impatto negativo la produzione di microalghe. Specificamente, fumi derivati dal carbon avrà una varietà di contaminanti inclusi ma non limitati a prodotti di combustione di acqua e biossido di carbonio, nonché ossidi di zolfo e azoto, polveri sottili, contaminanti organici come diossine e furani, e con inorganicocontaminanti quali i metalli pesanti. L'impatto della maggior parte di questi contaminanti inorganici compresi con alcuni di essi noto come metalli pesanti sulla produttività microalghe non sono stati esplorati. Alcuni di questi elementi possono essere nutrienti a concentrazioni appropriate, ma a concentrazioni più elevate si possono produrre disfunzione delle cellule e persino la morte 3.
L'integrazione di microalghe con fumi industriali ha il potenziale per introdurre direttamente contaminanti inorganici in terreni di coltura. Fumi base di carbone ha una varietà di elementi inorganici (ad esempio, As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V e Zn) a varie concentrazioni alcune delle quali, in basso concentrazione, rappresentano elementi nutritivi per la crescita di microalghe. Contaminanti inorganici hanno una alta affinità per legare di microalghe e in seguito essere sorbita internamente attraverso trasportatori di nutrienti. Alcuni contaminanti inorganici (cioè, Co, Cu, Zn e Mn) sono nutrienti che fanno parte di enzimi coinvolgonod nella fotosintesi, la respirazione e altre funzioni 3,4. Tuttavia, in eccesso metalli e metalloidi possono essere tossici. Altri elementi, come il Pb, Cd, Sn, Sb, Se, As e Hg, non sono noti per sostenere la funzione delle cellule in qualsiasi concentrazione e rappresentano metalli non-nutrienti che possono influire negativamente sulla crescita della cultura 3,5,6. La presenza di uno qualsiasi di questi contaminanti ha il potenziale per produrre effetti negativi sulla funzione cellulare microalghe. Inoltre, l'interazione di metalli multipli con microalghe complica dinamiche di crescita e ha il potenziale di impatto di crescita.
Economia su larga scala sono stati direttamente collegati alla produttività del sistema di coltivazione 7-19. Inoltre, ricicla medie del sistema di crescita di microalghe sia per vasche all'aperto raceway (ORP) o fotobioreattori (PBR) è fondamentale in quanto rappresenta il 99,9 e il 99,4% della massa, rispettivamente, 20. La presenza di contaminanti inorganici in media potrebbe infine limitare mproduttività icroalgae e il riciclo dei media a causa di accumulo di contaminanti. Questo studio ha determinato sperimentalmente l'impatto di 14 contaminanti inorganici (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V e Zn), a concentrazioni attese dall'integrazione dei sistemi di coltivazione di microalghe con carbone derivato fumi, sulla produttività di N. salina coltivate in PBRs trasporto aereo. I contaminanti utilizzati in questo studio hanno dimostrato di non essere presente solo in fumi a carbone ma basato rifiuti urbani fumi, biosolids basata fumi, acque reflue urbane, acqua prodotta, sotterranee compromessa e l'acqua di mare 21-23. Le concentrazioni utilizzate in questo studio si basano su ciò che ci si aspetterebbe se sistemi di crescita delle microalghe sono stati integrati con una base di CO 2 di origine carbone con un'efficienza assorbimento dimostrata in sistemi PBR commerciali 20. Calcoli dettagliati che supportano le concentrazioni dei metalli pesanti e contaminanti inorganici sono presentati in napanet al. sono stati usati 24 tecniche analitiche per comprendere la distribuzione della maggior parte dei metalli nelle biomasse, media e ambiente. I metodi presentati hanno consentito la valutazione del potenziale di produttività delle microalghe sotto inorganico sforzo contaminanti e la quantificazione del loro destino finale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Saline microalghe N. salina può essere coltivata con successo nel sistema di crescita progettato con risultati ripetibili e alti rendimenti biomassa. Airlift miscelazione permesso per una cultura sospesa ben miscelato con assestamento minimo o incrostazioni nei periodi di crescita di 7 giorni. La variabilità minima luce attraverso la banca luce fluorescente è anche mostrato di non produrre differenze notevoli in termini di crescita.
Lo studio mostra metalli pesanti mezzi contamin…
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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