将微藻培养与工业烟气相结合，最终会将重金属和其他无机化合物引入培养基中。本研究介绍了一种用于确定重金属及无机污染物对在光生物反应器中培养的Nannochloropsis salina生长过程的影响及其最终归趋的实验方法。
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本文内容
摘要
摘要
可再生燃料需求的不断增长促使研究人员探索替代原料（如微藻）的可行性。微藻具有诸多内在优势，包括高潜在产量、可利用非耕作土地以及能够与废水等废物资源相结合。大规模微藻生产系统的营养需求将要求将培养系统与工业废弃物资源耦合，例如来自烟道气的二氧化碳和来自废水的营养物质。然而，这些废弃物中存在的无机污染物可能导致微藻生物质中污染物的生物累积，进而对生产效率产生负面影响并限制其最终用途。本研究聚焦于实验评估14种无机污染物（As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Sb、Se、Sn、V 和 Zn）对 Nannochloropsis salina 生长的影响及其归趋。实验在光生物反应器中进行，光照强度为 984 µmol m-2 sec-1，培养基 pH 值维持在 7，并添加了基于商业燃煤烟道气系统中典型成分浓度的无机污染物。在为期7天的生长周期结束后，采用冷蒸气原子吸收光谱法测定生物质和培养基中的 Hg 含量，采用电感耦合等离子体质谱法测定 As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Se、Sn、V 和 Zn 的含量。结果表明，N. salina 对多金属环境较为敏感，这些污染物的引入导致其生物量产量出现统计学上的显著下降。本文所采用的技术方法适用于定量分析微藻生长情况并确定无机污染物的归趋。
引言
与传统陆生作物相比，微藻由于具有更高的固有太阳能转化效率，已被证明可实现更高的生物量和脂质产量1,2。要实现微藻的高生产率培养，需要提供多种营养物质，包括外源碳源。预计大规模微藻培养设施将与工业废气流（如工业烟气）相结合，以降低生产成本，同时实现环境修复。工业废碳通常以气态二氧化碳形式存在，并可能含有对微藻生产产生负面影响的污染物。具体而言，来自燃煤的烟气包含多种污染物，包括但不限于燃烧产物水和二氧化碳，以及硫氧化物和氮氧化物、细颗粒物、二噁英和呋喃等有机污染物，和重金属等无机污染物。这些污染物中的大多数，包括某些已知的重金属，对微藻生产力的影响尚未得到充分研究。其中一些元素在适当浓度下可作为营养物质，但在较高浓度下可能导致细胞功能障碍甚至死亡3。
将微藻与工业烟气结合可能会将无机污染物直接引入培养基中。燃煤烟气中含有多种无机元素（例如 As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Sb、Se、Sn、V 和 Zn），其浓度各不相同，其中部分元素在低浓度下可作为微藻生长所需的营养物质。无机污染物具有高度亲和性，易于与微藻结合，并通过营养转运蛋白进一步被细胞内吸附。某些无机污染物（即 Co、Cu、Zn 和 Mn）是营养元素，可构成参与光合作用、呼吸作用及其他生理功能相关酶的组成部分3,4。然而，当这些金属元素过量时，可能产生毒性。其他元素如 Pb、Cd、Sn、Sb、Se、....
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方案
1. 生长系统
图1. 微藻培养系统。 (A) 空气转子流量计，(B) CO2 转子流量计，(C) 带电磁阀的pH控制器，(D) 数据记录仪，(E) 管路空气过滤器，(F) 空气分配总管，(G) 荧光灯组，(H) pH计，(I) 冷却系统，(J) 水浴槽，(K) 热电偶导线，(L) 气升式光生物反应器，(M) 加热器，(N) 走入式通风橱，....
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结果
生物量产量
在本研究使用的光生物反应器（PBR）系统中，N. salina 的产量在7天内从对照组反应器的1 g/L-1 增长至8.5 ± 0.19 g/L-1（N = 12），而多金属污染组的产量为4.0 ± 0.3 g/L-1（N = 12）。实验在三个重复反应器及多批次培养中均获得了可重复的数据。图2A展示了基于三个独立PBR取样的平均培养密度，其标准误差极小。为确保该结果并非偶然，又进行了三批相似条件的培养实验，所有四批实验的综合结果如图2B所示。尽管存在生物学变异，本研究结果表明无机污染物对N. salina的生产具有持续的负面影响。从第2天起，暴露于污染物的PBR中的生物量产量与对照组PBR相比具有统计学上的显著差异（ANOVA，p <0.05）。
无机污染物定量的质量控制评估
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讨论
盐生微藻N. salina可在设计的培养系统中成功培养，结果可重复且生物量产量高。在7天的培养周期内，气升式搅拌实现了良好的悬浮培养混合状态，沉降或生物污染极少。荧光灯组光照强度的微小差异也被证明不会对生长产生明显影响。
研究表明，含有重金属污染介质的培养环境，其浓度若与燃煤烟气整合条件相当，会对生物量生长产生负面影响。本研究的可重复性凸显了多金属体系对生产率的影响。该过程中的多个步骤可能对生长产生不利影响，并导致系统污染，因此需要严格的实验准备。实验开始前测定培养基的 pH 值是一项质量控制步骤，可用于验证培养基是否发生酸化（例如，酸浸泡后光生物反应器冲洗不当所导致）。培养基酸化将影响藻类生长，并改变营养物质的生物可利用性（例如，无机碳形态和金属形态的变化），从而影响藻类结合位点、营养物质与金属之间的相互作用。这些研究要求对实验室设备进行细致的准备，以确保所添加金属的质量平衡能够准确测定。该过程中的其他步骤可能引入未被计量的金属，突显了使用适当纯度等级溶剂和化学品的必要性。在整个过程中实施适当的质量控制，可有效识别重金属污染物.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
作者感谢美国国家科学基金会（资助号：1335550）、犹他州水研究实验室、Joan McLean 教授和 Tessa Guy 在金属/类金属分析过程中提供的帮助。作者还感谢 Laura Birkhold 在数据收集方面的支持以及 Danna Olbright 的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 化学试剂 | |||
| 氯化钠 | Fisher Scientific | S271-3 | |
| 二水合氯化钙 | Fisher Scientific | C79-500 | |
| 氯化钾 | Fisher Scientific | P217-500 | |
| 九水合偏硅酸钠 | Fisher Scientific | S408-500 | |
| 七水合硫酸镁 | Fisher Scientific | M63-500 | |
| 硝酸钾 | EMD Chemical | PX1520-5 | |
| 磷酸二氢钾 | Fisher Scientific | P285-500 | |
| 柠檬酸铁铵 | Fisher Scientific | I72-500 | |
| 硼酸 | Fisher Scientific | A73-500 | |
| 二水合钼酸钠 | EMD Chemical | SX0650-2 | |
| 四水合氯化锰 | Fisher Scientific | M87-500 | |
| 七水合硫酸锌 | Fisher Scientific | Z68-500 | |
| 五水合硫酸铜 | Fisher Scientific | C489-500 | |
| 生物素 | Acros Organics | 230090010 | |
| 硫胺素 | Acros Organics | 148990100 | |
| 维生素B12 | Acros Organics | 405920010 | |
| 二水合氯化铜(II) | Sigma-Aldrich | 221783-100G | 刺激性，对环境有害 |
| 氯化铅(II) | Sigma-Aldrich | 268690-250G | 有毒，对环境有害 |
| 二水合重铬酸钠 | Sigma-Aldrich | 398063-100G | 氧化性，剧毒，对环境有害 |
| 六水合氯化钴(II) | Sigma-Aldrich | 255599-100G | 有毒，对环境有害 |
| 六水合氯化镍(II) | Sigma-Aldrich | 223387-500G | 有毒，对环境有害 |
| 亚砷酸钠(偏亚砷酸钠) | Sigma-Aldrich | 71287 | 有毒，对环境有害 |
| 氯化镉 | Sigma-Aldrich | 202908-10G | 剧毒，对环境有害 |
| 氯化汞(II) | Sigma-Aldrich | 215465-100G | 有毒，对环境有害 |
| 二水合氯化亚锡 | Fisher Scientific | T142-500 | 腐蚀性。适用于汞分析。有极高危险性。 |
| 四水合氯化锰 | Fisher Scientific | M87-500 | |
| 五氧化二钒 | Acros Organics | 206422500 | 对环境有害 |
| 二氧化碳 | Air Liquide | I2301S-1 | 压缩气体 |
| 过氧化氢 | H325-500 | Fisher Scientific | 水溶液中含30% |
| ICP-MS标准品 | ICP-MS-6020 | High Purity Standards | |
| 汞标准品 | CGHG1-1 | Inorganic Ventures | 1000±6 µg/mL，溶于5%硝酸 |
| 氩气 | Air Liquide | 压缩气体 | |
| 氦气 | Air Liquide | 压缩气体，超高纯度 | |
| 氢气 | Air Liquide | 压缩气体，超高纯度 | |
| 硝酸 | Fisher Scientific | A509-P212 | 67-70%硝酸，痕量金属级。注意：需在通风橱中操作。 |
| 盐酸 | Fisher Scientific | A508-P212 | 35%盐酸，痕量金属级。注意：需在通风橱中操作。 |
| 设备 | |||
| 科学预真空灭菌器 | Steris | 31626A | SV-120 |
| 离心机 | Thermo Fisher | 46910 | RC-6 Plus |
| 分光光度计 | Shimadzu | 1867 | UV-1800 |
| pH控制器 | Hanna | BL981411 | X4 |
| 转子流量计，X5 | Dwyer | RMA-151-SSV | T31Y |
| 转子流量计，X5 | Dwyer | RMA-26-SSV | T35Y |
| 循环水浴锅 | Fisher Scientific | 13-873-45A | |
| 紧凑型冷却器 | VWR | 13270-120 | |
| 冷冻干燥机 | Labconco | 7752020 | |
| 搅拌器 | Fisher Scientific | 11-100-49S | |
| pH实验室电极 | Phidgets Inc | 3550 | |
| 电感耦合等离子体质谱仪 | Agilent Technologies | 7700 Series ICP-MS | 连接CETAC ASX-520自动进样器 |
| FIAS 100 | Perkin Elmer Instruments | B0506520 | |
| 原子吸收光谱仪 | Perkin Elmer Instruments | AAnalyst 800 | |
| 石英加热池 | Perkin Elmer Instruments | B3120397 | |
| 微波消解仪 | Milestone | 可编程，最大功率1,200 W | |
| 微波转子 | Milestone | 配备24个75 ml聚四氟乙烯（PTFE）消解罐，用于密闭容器微波辅助消解 | |
| 材料 | |||
| 0.2 μm注射器滤器 | Whatman | 6713-0425 | |
| 0.2 μm注射器滤器 | Whatman | 6713-1650 | |
| 0.45 μm注射器滤器 | Thermo Fisher | F2500-3 | |
| 聚苯乙烯管 | Evergreen | 222-2094-050 | 17 x 100 mm，带盖，16 ml，聚苯乙烯 |
| 八角形磁力 搅拌 子 | Fisher scientific | 14-513-60 | 聚四氟乙烯（PTFE）包裹的磁铁 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
