الطحالب الدقيقة زراعه والكتلة الحيوية الكمي في التمثيل الضوئي علي نطاق واسع مع غازات المداخن المسببة للتاكل
Summary
وتسهل الزراعة الفائقة النطاق والاكينيه توصيف الطحالب الدقيقة وتحسين الانتاجيه قبل توسيع نطاق العملية اللاحقة. توفر الفعاليات الضوئية التحكم اللازم لتجارب الطحالب الدقيقة الموثوقه والقابلة للتكرار ويمكن تكييفها لزراعه الطحالب الدقيقة بأمان مع الغازات المسببة للتاكل (CO2، SO2، NO2) من انبعاثات الاحتراق المحلية أو الصناعية.
Abstract
والفعاليات الضوئية هي نظم الزراعة المضيءه للتجارب علي الكائنات المجهرية الضوئية. توفر هذه الانظمه بيئة معقمه لزراعه الطحالب الدقيقة مع درجه الحرارة والحموضة وتكوين الغاز ومراقبه معدل التدفق. وعلي مستوي المقاعد ، تعتبر الفعاليات الضوئية مفيده للباحثين الذين يدرسون خصائص الطحالب الدقيقة ، والانتاجيه ، وتحسين النمو. في الموازين الصناعية ، يمكن الحفاظ علي نقاء المنتج وتحسين كفاءه الإنتاج. ويصف الفيديو اعداد واستخدام المواد البيولوجية الضوئية علي نطاق واسع لزراعه الطحالب الدقيقة ، بما في ذلك الاستخدام الأمن لمدخلات الغازات المسببة للتاكل ، وتفاصيل قياسات الكتلة الاحيائيه ذات الصلة وحسابات إنتاجيه الكتلة الاحيائيه. وعلي وجه التحديد ، يوضح الفيديو تخزين ثقافة الطحالب الدقيقة واعدادها للتلقيح ، وتجميع الصور البيولوجية الضوئية والتعقيم ، وقياسات تركيز الكتلة الاحيائيه ، ونموذج لوجستي لإنتاجيه الكتلة الاحيائيه للطحالب الدقيقة مع معدل حسابات بما في ذلك الإنتاج الأقصى والإجمالي للكتلة الاحيائيه. بالاضافه إلى ذلك ، لان هناك اهتماما متزايدا في التجارب لزراعه الطحالب المجهرية باستخدام محاكاة أو حقيقية انبعاثات غاز النفايات ، وسوف يغطي الفيديو التحويرات المعدات الضوئية اللازمة للعمل مع الغازات المسببة للتاكل ومناقشه أخذ العينات أمنه في مثل هذه السيناريوهات.
Introduction
وتعتبر الفعاليات الضوئية مفيده للتجارب الخاضعة للرقابة وزراعه منتجات الطحالب الدقيقة الأنقى مما يمكن تحقيقه من خلال البرك المفتوحة. وتدعم زراعه الطحالب الدقيقة في العناصر البيولوجية الضوئية علي نطاق واسع تطوير المعارف الاساسيه التي يمكن استخدامها لتوسيع نطاق العملية. تغييرات طفيفه علي الظروف البيئية يمكن ان يغير بشكل كبير التجارب الميكروبيولوجية والعثور علي النتائج1. عمليه عقيمه مع درجه الحرارة ، والحموضة ، والغاز السيطرة علي النفط هو مفيد لدراسة خصائص الطحالب الدقيقة والأداء في ظل ظروف مختلفه. بالاضافه إلى ذلك ، يمكن للسيطرة علي تركيزات غاز الإدخال ، ودرجه الحرارة ، وقوه القص من الاختلاط ، والحموضة المتوسطة دعم الأنواع المتنوعة التي تشكل تحديا خلاف ذلك لزراعه. ويمكن تشغيل الصور البيولوجية الضوئية كعمليه دفعيه مع تغذيه الغاز المستمر والاندفاع ، أو كنظام التدفق الكيميائي من خلال التغذية المستمرة للغاز والنفط بالاضافه إلى المدخلات المغذية للمياه العادمة والنفايات السائلة. هنا ، ونحن نظهر عمليه دفعه مع تغذيه الغاز المستمر والاندفاع.
ويعالج استخدام العناصر البيولوجية الضوئية العديد من التحديات التي تواجه زراعه الطحالب الدقيقة والإنتاج. المجال يكافح عموما مع مخاوف من التلوث من قبل الكائنات المجهرية الأخرى ، كفاءه استخدام الركيزة (وهو أمر مهم بشكل خاص في حاله CO2 التخفيف أو معالجه المياه العادمة)2، والتحكم في درجه الحموضة ، وتقلب الاضاءه ، وإنتاجيه الكتلة الحيوية3. تمكن الممثلين الضوئيين الباحثين من دراسة مجموعه واسعه من الصور في أنظمه الدفعات التي تسيطر عليها بدقه ، حيث يتم حماية الأنواع البطيءه النمو من المفترسات أو الكائنات المجهرية المتنافسة4. وهذه النظم التجميعية هي أيضا أفضل في تيسير زيادة معدلات الاستخدام لشركه CO2 وإنتاجيه الكتلة الاحيائيه لأنها نظم مغلقه يرجح ان تكون في توازن مع الغازات الموردة. كما توفر تكنولوجيا فوتوبيوريممثل التحكم في درجه الحموضة ، ونقص التي أعاقت إنتاجيه الكتلة الحيوية العالية في الدراسات السابقة5. علي نطاق المقعد ، ومستوي السيطرة التي تقدمها الفعاليات الضوئية هو مفيد للباحثين. في الموازين الصناعية الكبيرة ، يمكن استخدام الفعاليات الضوئية للحفاظ علي نقاء المنتجات البيولوجية التجارية وتحسين كفاءه الإنتاج لتطبيقات التغذية ومستحضرات التجميل والغذاء والأعلاف6.
الطحالب المجهرية هي ذات اهميه كبيره لبيوسيكويستريشن CO2 لأنها يمكن ان إصلاح بسرعة co2 ككربون الكتلة الحيوية. ومع ذلك ، فان معظم المصادر البشرية المنشا لشركه CO2 ملوثه بغازات أو ملوثات أخرى مسببه للتاكل والسمية (NOx، SOx، CO ، Hg) ، اعتمادا علي مصدر وقود عمليه الاحتراق. وقد ادي الاهتمام المتزايد بتنحيه الشركة المستدامة2 إلى تطوير تكنولوجيات التمثيل البيولوجي الضوئي لمعالجه الانبعاثات الغنيةبالطاقة المختلطة، مثل تلك المنبعثة من محطات توليد الكهرباء التي تعمل بالفحم (الجدول 1). ومن المؤسف ان هناك خطرا متاصلا يتمثل في تعرض البشر والبيئة للملوثات المسببة للتاكل والسمية اثناء عمليات البحث والتوسيع. وعلي هذا النحو ، فان وصف التجميع الأمن للمفاعلات الحيوية وتشغيلها باستخدام الغازات المسببة للتاكل أمر ضروري ومفيد.
هذا الأسلوب هو لاستخدام 2 لتر علي نطاق واسع لنمو الطحالب المجهرية تحت الظروف التجريبية التي تسيطر عليها بعناية. ويصف البروتوكول تخزين الطحالب الدقيقة ، واعداد البويضات ، واعداد التمثيل البيولوجي الضوئي والتعقيم. وفيما يتجاوز العملية الاساسيه ، يصف هذا العمل قياسات الكتلة الاحيائيه للطحالب الدقيقة وحسابات إنتاجيه الكتلة الاحيائيه ، وتكييف معدات زراعه الطحالب الدقيقة مع الغازات المسببة للتاكل. البروتوكول الموصوف أدناه مناسب للباحثين الذين يسعون لممارسه المزيد من التحكم التجريبي ، وتحسين ظروف نمو الطحالب الدقيقة ، أو الثقافة المحورية لطائفه من الميكروبات الضوئية. هذا الأسلوب لا يصف المواد المناسبة لزراعه الميكروبات التي تنتج أو تستهلك الغازات القابلة للاشتعال (مثل CH4، ح2، الخ) 7–
Protocol
Representative Results
Discussion
الدفعة ، التجارب الضوئية البيولوجية الصورية مع الرقم الهيدروجيني المنظم ، ودرجه الحرارة ، ومعدل تدفق الغاز ، وتركيز الغاز تعزيز نتائج ذات مغزى من خلال القضاء علي التلوث من قبل سلالات الطحالب غير المستهدفة والتغير في الظروف الثقافية. يمكن الحصول علي دقه حركيه النمو الثقافة النقية حتى في و…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وتستند هذه المواد علي العمل المدعوم من المؤسسة الوطنية للعلوم زمالة البحوث العليا في اطار المنحة رقم 1546595. وأي راي أو استنتاجات أو استنتاجات أو توصيات معرب عنها في هذه المادة هي اراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة اراء المؤسسة الوطنية للعلوم. وكان العمل مدعوما أيضا بمنحه بحثيه من جامعه أيوا للدراسات العليا والمهنية الطلابية الحكومية ، ومؤسسه جامعه أيوا ، وقف الن س. هنري. وأجريت البحوث في مختبر دبليو ام. ك. ويود أصحاب البلاغ ان يشكروا موظفي محطه الطاقة في جامعه أيوا ، ولا سيما مارك ماكسويل ، علي الخبرة والدعم المالي لغازات المداخن المقلدة. ويود أصحاب البلاغ أيضا ان يعترفوا بإميلي مور لمساعدتها في أخذ العينات والتحليل وإميلي غرين لمساعدتها ومشاركتها في شريط فيديو البروتوكول.
Materials
| Biostat A bioreactor | Sartorius Stedim | 2-liter bioreactor for microbial fermentation; designed to be autoclaved; pH, temperature, gas flow rate control | |
| Bump test NO2 gas | Grainger | GAS34L-112-5 | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Bump test O2, CO, LEL gas | Grainger | GAS44ES-301A | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Bump test SO2 gas | Grainger | GAS34L-175-5 | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Corrosion resistant tubing for NO2 gas | Swagelok | SS-XT4TA4TA4-6 | PTFE Core Hose Smooth Bore X Series—Fiber Braid and 304 SS Braid Reinforcement |
| Corrosion resistant tubing for SO2 gas | QC Supply | 120325 | Reinforced Braided Natural EVA Tubing – 1/4" ID |
| cozIR 100% CO2 meter | Gas Sensing Solutions Ltd. | CM-0121 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations up to 100% |
| cozIR 20% CO2 meter | Gas Sensing Solutions Ltd. | CM-0123 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations up to 20% |
| Durapore Membrane Filter, 0.45 μm | Millipore Sigma | HVLP04700 | Hydrophilic, plain white, 47 mm diameter, 0.45 μm pore size, PVFD membrane filters |
| Gas cylinder regulators | Praxair | PRS 40221331-660 | Single-stage stainless steel regulator configured for 0-15 psi outlet assembly diaphragm valve with 1/4" MNPT threads, Stainless steel to resist corrosion from NOx and SOx |
| Gas cylinders | Praxair | Ulta-zero air, high purity CO2, or custom gas composition | Dependent on study objectives |
| Gas monitoring and leak detection system | RAE Systems by Honeywell | MAB3000235E020 | Pumped model that detects O2, SO2, NO2, CO, and LEL |
| GasLab software | GasLab | v2.0.8.14 | Software for CO2 meter measurements and data logging |
| Hose barb | Grainger | Item # 3DTN3 | Used to adapt regulators to tubing, Stainless steel to resist corrosion from NOx and SOx |
| K30 1% CO2 meter | Senseair | CM-0024 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations less than 1% |
| LED grow panels | Roleadro | HY-MD-D169-S | Red & blue LED light panels |
| Memosens dissolved oxygen probe | Endress+ Hauser | COS22D-19M6/0 | Autoclavable (with precautions) dissolved oxygen probe for bioreactor |
| Memosens pH probe | Endress+ Hauser | CPS71D-7TB41 | Autoclavable (with precautions) pH probe for bioreactor |
| Oven, Isotemp 500 Series | Fisher Scientific | 13246516GAQ | Small oven for drying |
| Prism GraphPad software | GraphPad Software | Version 7.03 or 8.0.1 | Graphing software for data organization, data analysis, and publication-quality graphs |
| Stem to hose barb fitting | Swagelok | SS-4-HC-A-6MTA | Stainless Steel Hose Connector, 6 mm Tube Adapter, 1/4 in. Hose ID |
| Tubing, dilute acid/base transfer | Allied Electronics and Automation | 6678441 | Silicone TP Process Tubing; 1.6mm Bore Size; 3000mm Long; Food Grade |
| Tubing, gas transfer | Allied Electronics and Automation | 6678444 | Silicone TP Process Tubing; 3.2mm Bore Size; 3000mm Long; Food Grade |
References
- Obom, K. M., Magno, A., Cummings, P. J. Operation of a Benchtop Bioreactor. Journal of Visualized Experiments. (79), e50582 (2013).
- Cheah, W. Y., Pau Loke, S., Chang, J. -. S., Ling, T., Juan, J. C. Biosequestration of atmospheric CO2 and flue gas-containing CO2 by microalgae. Bioresource Technology. 184, 190-201 (2014).
- Xu, L., Weathers, P. J., Xiong, X. -. R., Liu, C. -. Z. Microalgal bioreactors: Challenges and opportunities. Engineering in Life Sciences. 9 (3), 178-189 (2009).
- Tsang, Y. F. . Photobioreactors: Advancements, Applications and Research. , (2017).
- Molitor, H. R., Moore, E. J., Schnoor, J. L. Maximum CO2 Utilization by Nutritious Microalgae. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (10), 9474-9479 (2019).
- Khan, M. I., Shin, J. H., Kim, J. D. The promising future of microalgae: current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products. Microbial Cell Factories. 17 (1), 36 (2018).
- Benemann, J. R. Hydrogen production by microalgae. Journal of Applied Phycology. 12 (3), 291-300 (2000).
- . IH MOD Available from: https://aiha.org/public-resources/consumer-resources/topics-of-interest/ih-apps-tools (2019)
- Centers for Disease Control and Prevention, Immediately Dangerous To Life or Health (IDLH) Values. The National Institute for Occupational Safety and Health Available from: https://www.cdc.gov/niosh/idlh/intridl4.html (2019)
- Nakanishi, K., Deuchi, K., Kuwano, K. Cryopreservation of four valuable strains of microalgae, including viability and characteristics during 15 of cryostorage. Journal of Applied Phycology. 24 (6), 1381-1385 (2012).
- Bischoff, H. W., Bold, H. C. . Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species. , (1963).
- Mata, T. M., Martins, A. A., Caetano, N. S. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14 (1), 217-232 (2010).
- Wood, A. M., Everroad, R. C., Wingard, L. M., Andersen, R. A. Measuring growth rates in microalgal cultures. Algal Culturing Techniques. , 270-272 (2005).
