Ağır Metal ve Mikroalglerden Verimlilik Diğer İnorganik Bulaşanlar Kantitasyonu
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
Yenilenebilir yakıtlar için artan talebi gibi mikroalglerin gibi alternatif feedstocks, fizibilite araştıran araştırmacılar vardır. Kalıtsal avantajlar atık akışları ile potansiyeli yüksek verim olmayan ekilebilir arazi kullanımı ve entegrasyonu yer alıyor. büyük ölçekli mikroalg üretim sisteminin besin gereksinimleri gibi baca gazı ve atık sudan besin karbon dioksit gibi endüstriyel atık kaynakları, yetiştirme sistemleri kaplini gerektirecektir. Bu atıkların mevcut inorganik kirleticiler potansiyel olumsuz verimlilik ve sınırlayıcı uç kullanımını etkileyen mikroalg biyokütle biyolojik birikme yol açabilir. Bu çalışma etkisi deneysel değerlendirilmesi ve Nannochloropsis salina büyüme üzerinde 14 inorganik kirleticiler (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V ve Zn) kaderi üzerinde duruluyor . Mikroalgler büyüme m pH 7'de 984 ľmol m -2 sn ışıklı fotobiyoreaktörler yetiştirilen -1 ve muhafaza edildiseviyelerde inorganik kirleticiler ile kirlenmiş edia ticari kömür baca gazı sistemlerinde bulunan bileşimine dayalı beklenen. Biyokütle ve 7 gün büyüme dönemi sonunda ortamda bulunan kirleticiler analitik, Hg ve As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni için indüktif eşleşmiş plazma kütle spektrometresi sayesinde soğuk buhar atomik absorpsiyon spektrometresi ile ölçüldü Pb, Sb, Se, Sn, V ve Zn'den en. Sonuçlar N. göstermek salina bu kirleticilerin giriş yieldwith biyokütlesindeki istatistiksel azalma ile çoklu metal çevreye duyarlı bir türdür. Burada sunulan teknikler alg büyümesini miktarının ve inorganik kirleticilerin kaderini belirlemek için yeterli.
Introduction
Geleneksel karasal bitkileri ile karşılaştırıldığında mikroalg doğasında daha yüksek güneş dönüşüm verimliliği 1,2 nedeniyle daha yüksek bir biyokütle ve lipit verimi elde etmek için gösterilmiştir. Yüksek verimlilik oranları microalglerin Yetiştirme harici karbon kaynağı dahil olmak üzere çeşitli besin kaynağı gerektirir. Bu büyük ölçekli büyümesi tesisleri üretim maliyetlerini en aza indirmek için bu tür endüstriyel baca gazı gibi endüstriyel atık akımlarının ile entegre ve aynı zamanda, çevre iyileştirme sağlayabilir olması beklenmektedir. Endüstriyel atık karbon gaz karbondioksit şeklinde tipik ve olumsuz mikroalg üretimi etkileme potansiyeline sahip kirleticiler içerebilir. Spesifik olarak, kömürden türetilmiş baca gazı da dahil olmak üzere kirletici maddelerin çeşitli ancak yanma ürünleri, su ve karbon dioksit gibi sülfür ve nitrojen, ince toz, örneğin dioksin ve furanlar gibi organik kirletici oksitleri ve inorganik con bunlarla sınırlı değildirağır metaller gibi kirleticileri. microalgae verimlilik üzerindeki ağır metaller olarak bilinen bazıları ile inorganiklerin dahil olmak üzere bu kirleticilerin çoğunluğunun etkisi araştırılmış değil. Bu unsurların bazıları, uygun konsantrasyonlarda besin olabilir ancak yüksek konsantrasyonlarda onlar hücre disfonksiyonu ve hatta ölüme 3. üretebilir.
Endüstriyel baca gazıyla mikroalg entegrasyonu doğrudan büyüme ortamı içine inorganik kirletici maddeleri tanıtmak için potansiyele sahiptir. Kömür göre baca gazı, inorganik elementler (örneğin, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V ve Zn, As) bazıları, düşük çeşitli konsantrasyonlarda bir çeşitlilik vardır konsantrasyon, mikroalg büyümesi için besin temsil etmektedir. İnorganik kirletici yüksek afiniteli bir mikroalg bağlamak için ve daha fazla besin maddesi taşıyıcıları aracılığıyla dahili emdirilebilecek sahiptir. Bazı inorganik kirletici maddeler (örneğin, Co, Cu, Zn, Mn) içeren enzim parçası besin olanfotosentez, solunum ve diğer fonksiyonlar 3,4 d. Ancak, aşırı metal ve metaloidlerin toksik olabilir. Böyle Pb, Cd, Sn, Sb, Se, As ve Hg gibi diğer unsurlar, herhangi bir konsantrasyonda hücre fonksiyonunu desteklemesi ve olumsuz kültür büyüme 3,5,6 etkileyebilecek olmayan besin metalleri temsil etmek bilinmemektedir. Bu kirletici maddelerin herhangi birinin mevcudiyeti mikroalg hücre fonksiyonu üzerinde olumsuz etkileri üretme potansiyeline sahiptir. Ayrıca, mikroalg ile birden çok metal etkileşimi büyüme dinamiği karmaşık hale getirmekte ve bir büyüme etkisi potansiyeline sahiptir.
Büyük ölçekli ekonomi doğrudan yetiştirme sisteminin 7-19 verimlilik bağlantılı olmuştur. Bu kütlenin 99.9 ve% 99.4'ünü, sırasıyla 20 temsil Dahası, açık kanal havuzlarda (ORP) veya fotobiyoreaktörler biri için mikroalg büyüme sistemi (PBR) orta geri dönüşüm önemlidir. medyada inorganik kirleticilerin varlığı sonuçta m sınırlayabiliricroalgae verimlilik nedeniyle kirletici birikmesi Medyanın geri dönüşüm. Bu çalışma deneysel, (Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V ve Zn, As) mikroalg yetiştirme sistemlerinin entegrasyonu beklenen konsantrasyonlarda 14 inorganik kirleticilerin etkisini tespit Kömür N. üretkenliğine, baca gazı kaynaklı olan salina airlift PBRs yetişmektedir. Bu çalışmada kullanılan kirletici maddeler yalnızca kömür bazlı baca gazı, ancak belediye atık göre baca gazı, biyolojik katı maddeler bazlı baca gazı, belediye atık su, üretilen suyun, bozulmuş yeraltı suyu ve deniz 21-23 mevcut vermeye gösterilmiştir. Bu çalışmada kullanılan konsantrasyonlar mikroalg büyüme sistemleri ticari PBR sistemleri 20 gösterildiği, bir alım verimle bir kömür bazlı CO2 kaynağı ile entegre takdirde beklenebilecek olana dayanmaktadır. Ağır metaller ve inorganik kirleticilerin konsantrasyonlarının destekleyen detaylı hesaplamalar Napan sunulmuşturve ark., 24 analitik teknikler biyokütle, medya ve ortamda metallerin çoğu dağılımını anlamak için kullanıldı. sunulan yöntemler inorganik kirletici stres ve bitiş kader miktarının altında microalglerin verimlilik potansiyelinin değerlendirilmesini sağladı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tuzlu mikroalg N. salina başarıyla tekrarlanabilir sonuçlar ve yüksek biyokütle verimleri ile tasarlanmış büyüme sisteminde yetiştirilen olabilir. Hava İkmal 7 gün büyüme dönemleri boyunca en az hesaplaşmanın veya biyolojik kirliliğe ile iyi karma askıya kültür için izin karıştırma. Floresan ışık banka genelinde minimum ışık değişkenliği de büyüme fark farklılıkları üretmek değil gösterilmektedir.
Çalışma ağır metal kömür baca gazı o…
Disclosures
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 |
References
- 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).
