Name: Quantificazione dei metalli pesanti e altri contaminanti inorganici sulla produttività delle microalghe (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-07-10T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 20 s
Description: Scopri come quantificare l'impatto dei metalli pesanti sulla produttività di Nannochloropsis salina utilizzando fotobioreattori e spettrometria ICP-MS. Questo metodo supporta la produzione sostenibile di biocarburanti.

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Gli autori desiderano ringraziare il finanziamento della National Science Foundation (premio # 1335550), dello Utah Water Research Laboratory, della professoressa Joan McLean e di Tessa Guy per il loro aiuto durante l'analisi dei metalli/metalloidi. Gli autori ringraziano anche Laura Birkhold per il suo supporto nella raccolta dei dati e Danna Olbright.

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

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 contaminata...

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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;impatto di 14 contaminanti inorganici (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V e Zn), a concentrazioni attese dall&#39;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&#39;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&#39;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.

<table><tbody><tr><td>Prodotti chimici</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cloruro di sodio</td><td>Fisher Scientific</td><td>S271-3</td><td></td></tr><tr><td>Cloruro di calcio diidrato</td><td>Fisher Scientific</td><td>C79-500</td><td></td></tr><tr><td>Cloruro di potassio</td><td>Fisher Scientific</td><td>P217-500</td><td></td></tr><tr><td>Metasilicato di sodio nonaidrato</td><td>Fisher Scientific</td><td>S408-500</td><td></td></tr><tr><td>Solfato di magnesio eptaidrato&nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>M63-500</td><td></td></tr><tr><td>Nitrato di potassio</td><td>EMD Chimico</td><td>PX1520-5</td><td></td></tr><tr><td>Fosfato di potassio monobasico&nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>P285-500</td><td></td></tr><tr><td>Citrato ferrico di ammonio</td><td>Fisher Scientific</td><td>I72-500</td><td></td></tr><tr><td>Acido borico</td><td>Fisher Scientific</td><td>A73-500</td><td></td></tr><tr><td>Molibdato di sodio, diidrato</td><td>EMD Chemical</td><td>SX0650-2</td><td></td></tr><tr><td>Cloruro di manganese tetraidrato</td><td>Fisher Scientific</td><td>M87-500</td><td></td></tr><tr><td>Solfato di zinco eptaidrato</td><td>Fisher Scientific</td><td>Z68-500</td><td></td></tr><tr><td>Solfato rameico pentaidrato</td><td>Fisher Scientific</td><td>C489-500</td><td></td></tr><tr><td>Biotina&nbsp;</td><td>Acros Organics</td><td>230090010</td><td></td></tr><tr><td>tiamina&nbsp;</td><td>Acros Organics</td><td>148990100</td><td></td></tr><tr><td>Vitamina B12&nbsp;</td><td>Acros Organics</td><td>405920010</td><td></td></tr><tr><td>Cloruro di rame (II) diidrato&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>221783-100G</td><td>Irritante, pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Piombo (II) cloruro&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>268690-250G</td><td>Tossico, pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Bicromato di sodio diidrato&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>398063-100G</td><td>ossidante, altamente tossico, pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Cloruro di cobalto (II) esaidrato&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>255599-100G</td><td>Tossico, pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Cloruro di nichel (II) esaidrato&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>223387-500G</td><td>Tossico, pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Arsenito di sodio (meta)&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>71287</td><td>Tossico, pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Cloruro di cadmio&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>202908-10G</td><td>Altamente tossico, pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Cloruro di mercurio (II)&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>215465-100G</td><td>Tossico, pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Cloruro di stagno (II) diidrato</td><td>Fisher Scientific</td><td>T142-500</td><td>Corrosivo. Adatto per l'analisi del Hg. Molto pericoloso.</td></tr><tr><td>Cloruro di manganese tetraidrato</td><td>Fisher Scientific</td><td>M87-500</td><td></td></tr><tr><td>Ossido di vanadio (V)</td><td>Acros Organics</td><td>206422500</td><td>Pericoloso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Anidride carbonica&nbsp;</td><td>Air Liquide</td><td>I2301S-1</td><td>Perossido di idrogeno compresso</td></tr><tr><td></td><td>H325-500</td><td>Fisher Scientific</td><td>30% in acqua</td></tr><tr><td>Standard ICP-MS</td><td>ICP-MS-6020</td><td>Standard</td><td></td>di elevata purezza</tr><tr><td>Standard di mercurio</td><td>CGHG1-1</td><td>Inorganic Ventures</td><td>1000&plusmn; 6 &micro; g/mL in acido nitrico al 5%</td></tr><tr><td>Argon</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>Elio compresso</td></tr><tr><td></td><td>Air Liquide</td><td></td><td>Compresso, ad altissima purezza</td></tr><tr><td>Idrogeno</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>Compresso, ad altissima purezza</td></tr><tr><td>Acido nitrico</td><td>Fisher Scientific</td><td>A509-P212</td><td>67-70% acido nitrico, grado di metalli in tracce. Attenzione: manipolare sotto la cappa aspirante.</td></tr><tr><td>Acido cloridrico</td><td>Fisher Scientific</td><td>A508-P212</td><td>35% acido cloridrico, grado di metallo in tracce. Attenzione: manipolare sotto la cappa aspirante.</td></tr><tr><td>Attrezzatura</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sterilizzatore scientifico a prevuoto</td><td>Steris</td><td>31626A</td><td>SV-120</td></tr><tr><td>Centrifuga</td><td>Thermo Fisher</td><td>46910</td><td>Spettrofotometro RC-6 Plus</td></tr><tr><td></td><td>Shimadzu</td><td>1867</td><td>Regolatore di pH UV-1800</td></tr><tr><td></td><td>Hanna</td><td>BL981411</td><td></td></tr><tr><td>Rotometro, X5</td><td>Dwyer</td><td>RMA-151-SSV</td><td>T31Y</td></tr><tr><td>Rotometro, X5</td><td>Dwyer</td><td>RMA-26-SSV</td><td>T35Y</td></tr><tr><td>Circolatore a bagnomaria</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-873-45A</td><td></td></tr><tr><td>Refrigeratore compatto</td><td>VWR</td><td>13270-120</td><td></td></tr><tr><td>Liofilizzatore</td><td>Labconco</td><td>7752020</td><td></td></tr><tr><td>Piastra di agitazione</td><td>Fisher Scientific</td><td>11-100-49S</td><td></td></tr><tr><td>Elettrodo da laboratorio pH</td><td>Phidgets Inc</td><td>3550</td><td></td></tr><tr><td>Spettrometro di massa al plasma accoppiato induttivamente</td><td>Agilent Technologies</td><td>Serie 7700 ICP-MS</td><td>Collegato all'autocampionatore CETAC ASX-520</td></tr><tr><td>FIAS 100</td><td>Perkin Elmer Instruments</td><td>B0506520</td><td></td></tr><tr><td>Spettrometro ad assorbimento atomico</td><td>Perkin Elmer Instruments</td><td>AAnalyst 800</td><td></td></tr><tr><td>Riscaldatore di celle (quarzo)</td><td>Perkin Elmer Instruments</td><td>B3120397</td><td></td></tr><tr><td>Microonde</td><td>Milestone</td><td></td><td>Programmabile, potenza massima 1.200 W</td></tr><tr><td>Rotore a microonde</td><td>Rotore Milestone</td><td></td><td>con recipienti in teflon da 24-75 ml per la digestione assistita da microonde a recipienti chiusi.</td></tr><tr><td>Materiali</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>0,2 &#956; m filtro per siringhe</td><td>Whatman</td><td>6713-0425</td><td></td></tr><tr><td>0.2 &#956; m filtro per siringhe</td><td>Whatman</td><td>6713-1650</td><td></td></tr><tr><td>0.45 &#956; m filtro per siringa</td><td>Thermo Fisher</td><td>F2500-3</td><td></td></tr><tr><td>Tubi in polistirene</td><td>Evergreen</td><td>222-2094-050</td><td>17 x 100 mm con tappo, 16 ml, polisterina</td></tr><tr><td>Magnetico ottagonale&nbsp; mescolare&nbsp; barre</td><td>Fisher scientific</td><td>14-513-60</td><td>Magneti racchiusi in fluoropolimero PTFE</td></tr></tbody></table>

quantificazione dei metalli pesanti e altri contaminanti inorganici sulla produttività delle microalghe

Quantification of Heavy Metals and Other Inorganic Contaminants on the Productivity of Microalgae

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&#39;uso di terreni non coltivabili e l&#39;integrazione con i flussi di rifiuti. Le esigenze nutrizionali di un sistema di produzione di microalghe su larga scala richiederà l&#39;accoppiamento dei sistemi di coltivazione con le risorse dei rifiuti industriali, come l&#39;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&#39;uso finale produttività e limitante. Questo studio si concentra sulla valutazione sperimentale dell&#39;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&#39;ambiente multi-metallo con una diminuzione statistica della biomassa yieldwith l&#39;introduzione di questi contaminanti. Le tecniche qui presentate sono adeguate per quantificare la crescita delle alghe e determinare il destino di contaminanti inorganici.

I rendimenti biomassa Produzione di N. salina nel sistema PBR usato in questo studio è passato da 1 g / L -1 a 8,5 ± 0,19 g / L -1 (N = 12) per i reattori di controllo e 4,0 ± 0,3 g / L -1 (N = 12) per la multi-metal contaminato in 7 giorni. Gli esperimenti hanno prodotto dati ripetibili attraverso reattori in triplo e più batch. Figura 2A mostra la densità media cultura con molto piccolo errore standard sulla base di campionamento d...

L'integrazione della coltivazione di microalghe con i gas di combustione industriali introdurrà infine metalli pesanti e altri composti inorganici nei mezzi di crescita. Questo studio presenta una procedura utilizzata per determinare il destino finale e l'impatto dei metalli pesanti e dei contaminanti inorganici sulla crescita di Nannochloropsis salina coltivata in fotobioreattori.

Quantificazione dei metalli pesanti e altri contaminanti inorganici sulla produttività delle microalghe

Increasing demand for renewable fuels has researchers investigating the feasibility of alternative feedstocks, such as microalgae. Inherent advantages ...

L'obiettivo generale di questa procedura è quantificare l'impatto e il destino finale dei metalli pesanti introdotti nei sistemi di crescita delle microalghe a seguito dell'utilizzo della anidride carbonica proveniente da centrali a carbone come fonte di carbonio per la crescita. Questo viene raggiunto innanzitutto comprendendo i potenziali livelli di contaminazione basati sull'integrazione di carbone e gas di scarico. Nella coltivazione delle microalghe, questi livelli vengono utilizzati come contaminazione di base e vengono preparate le relative scorte.Successivamente, viene coltivato l'inoculo richiesto e viene allestita la piattaforma per la crescita su larga scala. Quindi, il sistema viene inoculato e vengono prelevati periodicamente campioni da sottoporre a elaborazione. Infine, la biomassa viene isolata e viene quantificato l'esito finale dei contaminanti.Infine, la spettrometria di massa con plasma accoppiato induttivamente, o I-C-P-M-S, viene utilizzata per determinare i metalli assorbiti dalla biomassa e, unitamente alle misurazioni della densità ottica, consente di comprendere l'impatto dei contaminanti sul sistema. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai m

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Procedimento per la determinazione del contenuto di acidi grassi e la composizione in microalghe basato su rottura meccanica delle cellule, estrazione dei lipidi solvente, transesterificazione, e quantificazione e identificazione di acidi grassi mediante gascromatografia è descritto. Uno standard interno tripentadecanoin viene utilizzato per compensare le eventuali perdite durante l'estrazione e transesterificazione incompleta.

Analisi di acido grasso contenuto e la composizione in microalghe

Una metodologia sperimentale è presentato per confrontare le prestazioni di piccole dimensioni (100 L) e grande (1.000 L) scala reattori progettati per le alghe bonifica delle discariche delle acque reflue. Caratteristiche del sistema, tra cui la superficie in rapporto al volume, tempo di ritenzione, densità della biomassa, e le concentrazioni di alimentazione delle acque reflue, possono essere regolati in base all'applicazione.

Confronto di scala in un reattore sistema fotosintetico per Algal Bonifica delle acque reflue

La coltivazione ascia su scala bench facilita la caratterizzazione delle microalghe e l'ottimizzazione della produttività prima della successiva scalabilità del processo. I fotobioreattori forniscono il controllo necessario per esperimenti di microalghe affidabili e riproducibili e possono essere adattati per coltivare in modo sicuro le microalghe con i gas corrosivi (CO2, SO2, NO2) dalle emissioni di combustione municipale o industriale.

Coltivazione di microalghe e quantificazione della biomassa in un fotoreattore in scala di panca con gas di scarico corrosivo

Dimostriamo test di tossicità delle alghe per sostanze difficili (ad esempio, sostanze colorate o nanomateriali) utilizzando un setup illuminato verticalmente con un LED.

Un'installazione su piccola scala per il test della tossicità delle alghe di nanomateriali e altre sostanze difficili

Viene descritto un protocollo per utilizzare l'anidride carbonica nei gas di combustione delle centrali elettriche a gas naturale per coltivare microalghe in stagni di pista aperti. L'iniezione di gas di combustione è controllata con un sensore di pH e la crescita delle microalghe viene monitorata con misurazioni in tempo reale della densità ottica.

Accoppiamento della cattura del carbonio da una centrale elettrica con stagni semi-automatizzati Open Raceway per la coltivazione di microalghe

Questo protocollo dimostra l'uso di una piattaforma tecnologica di microarray fenotipo (PM) per definire i requisiti metabolici di Chlamydomonas reinhardtii, una microalga verde, e perfezionare un modello di rete metabolica esistente.

Profilazione metabolica ad alto rendimento per perfezionamenti del modello di microalghe

Questa pubblicazione descrive la progettazione di fotobioreattori da laboratorio (PBR) con regimi di luce personalizzabili. La crescita di cianobatteri o microalghe, utilizzando il bicarbonato come fonte di carbonio, viene monitorata continuamente misurando la produzione volumetrica di ossigeno. Questi PBR facilitano confronti di crescita di laboratorio rapidi e replicati con un piccolo intervento dell'utente durante gli esperimenti.

Funzionamento di fotobioreattori da laboratorio con misurazioni di crescita online e regimi di luce personalizzabili

L'inquinamento atmosferico ha un impatto sulla qualità della vita di tutti gli organismi. In questo articolo descriviamo l'utilizzo della biotecnologia delle microalghe per il trattamento del biogas (rimozione simultanea di anidride carbonica e idrogeno solforato) e la produzione di biometano attraverso stagni algali aperti semi-industriali ad alto tasso e successiva analisi dell'efficienza del trattamento, del pH, dell'ossigeno disciolto e della crescita delle microalghe.

Purificazione del biogas attraverso l'uso di un sistema microalga-batterico in stagni semi-industriali ad alta velocità

Il presente studio evidenzia i vantaggi dell'impiego del metodo sviluppato da Jeffrey e Humphrey per l'estrazione e la quantificazione di pigmenti liposolubili dalle microalghe. Questo metodo funge da strumento prezioso per valutare l'influenza dei fattori di crescita sulla produzione di clorofilla e sul contenuto cellulare in questi organismi.

Valutazione dell'effetto dei fattori di crescita sulla produzione di clorofille a e b dalle microalghe

Gas di combustione delle centrali elettriche è una conveniente fonte di CO 2 per la crescita delle alghe. Abbiamo costruito "dei fumi delle alghe coltivazione" prototipo dei sistemi e descritto come scalare il processo di coltivazione algale. Abbiamo dimostrato l'utilizzo di un modello bio-reazione di trasferimento di massa per simulare e progettare il funzionamento ottimale del gas di combustione per la crescita di Chlorella sp. in alghe foto-bioreattori.

Ottimizzare le impostazioni dei gas di scarico per promuovere la crescita di microalghe in fotobioreattori tramite simulazioni al computer

Scopri come quantificare l'impatto dei metalli pesanti sulla produttività di Nannochloropsis salina utilizzando fotobioreattori e spettrometria ICP-MS. Questo metodo supporta la produzione sostenibile di biocarburanti.

Quantificazione dei metalli pesanti e altri contaminanti inorganici sulla produttività delle microalghe

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