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.
El aumento de la demanda de combustibles renovables tiene investigadores que investigan la viabilidad de materias primas alternativas, como las microalgas. Ventajas inherentes incluyen alto potencial de rendimiento, el uso de tierras no cultivables y la integración con los flujos de residuos. Los requisitos de nutrientes de un sistema de producción de microalgas a gran escala requerirán el acoplamiento de los sistemas de cultivo con recursos de los residuos industriales, tales como el dióxido de carbono del gas de combustión y los nutrientes de las aguas residuales. Contaminantes inorgánicos presentes en estos residuos potencialmente pueden conducir a la bioacumulación en la biomasa de microalgas afectar negativamente la productividad y la limitación de su uso final. Este estudio se centra en la evaluación experimental de los efectos y el destino de los 14 contaminantes inorgánicos (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V y Zn) en el crecimiento salina Nannochloropsis . Las microalgas se cultivan en fotobiorreactores iluminados en 984 mol m -2 s -1 y se mantiene a pH 7 en un crecimiento media contaminado con contaminantes inorgánicos en los niveles esperados en base a la composición que se encuentra en los sistemas de gas de combustión de carbón comerciales. Los contaminantes presentes en la biomasa y el medio al final de un período de 7 días de crecimiento se cuantificaron analíticamente a través de vapor frío espectrometría de absorción atómica para Hg y por medio de ICP-MS para As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V y Zn. Los resultados muestran N. salina es una cepa sensible al entorno multi-metal con una disminución estadística en la biomasa yieldwith la introducción de estos contaminantes. Las técnicas presentadas aquí son adecuados para cuantificar el crecimiento de algas y determinar el destino de los contaminantes inorgánicos.
En comparación con los cultivos terrestres tradicionales han demostrado microalgas para lograr altos rendimientos de biomasa y de lípidos debido a las eficiencias inherentes 1,2 de conversión solar más altos. El cultivo de microalgas a altas tasas de productividad requiere el suministro de varios nutrientes, incluyendo una fuente de carbono externa. Se espera que las instalaciones de crecimiento a gran escala se integrarán con flujos de residuos industriales, tales como gas de combustión industrial con el fin de minimizar los costos de producción y al mismo tiempo proporcionan remediación ambiental. De carbono de residuos industriales es típicamente en forma de dióxido de carbono gaseoso y puede contener contaminantes que tienen el potencial de afectar negativamente a la producción de microalgas. Específicamente, los gases de combustión derivados de carbón tendrá una variedad de contaminantes, incluyendo pero no limitado a los productos de combustión de agua y dióxido de carbono, así como óxidos de azufre y nitrógeno, polvo fino, contaminantes orgánicos, tales como dioxinas y furanos, y con inorgánicacontaminantes como los metales pesados. El impacto de la mayoría de estos contaminantes, incluyendo compuestos inorgánicos con algunos de ellos conocidos como los metales pesados en la productividad de las microalgas no se han explorado. Algunos de estos elementos pueden ser nutrientes en las concentraciones adecuadas, sin embargo a concentraciones más altas pueden producir disfunción de las células e incluso la muerte 3.
La integración de microalgas con gas de combustión industrial tiene el potencial de introducir directamente los contaminantes inorgánicos en medio de crecimiento. Gas de combustión a base de carbón tiene una variedad de elementos inorgánicos (por ejemplo, As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V y Zn) a diversas concentraciones algunas de las cuales, en baja concentración, representan nutrientes para el crecimiento de microalgas. Contaminantes inorgánicos tienen una alta afinidad para unirse a microalgas y además estar absorbido internamente a través de transportadores de nutrientes. Algunos contaminantes inorgánicos (es decir, Co, Cu, Zn y Mn) son nutrientes que forman parte de enzimas implicand en la fotosíntesis, la respiración y otras funciones 3,4. Sin embargo, en exceso de metales y metaloides pueden ser tóxicos. Otros elementos, como Pb, Cd, Sn, Sb, Se, As y Hg, no se conocen para apoyar la función celular en cualquier concentración y representar a los metales no nutrientes que podrían afectar negativamente el crecimiento 3,5,6 cultura. La presencia de cualquiera de estos contaminantes tiene el potencial de producir efectos negativos sobre la función celular de microalgas. Además, la interacción de múltiples metales con microalgas complica la dinámica de crecimiento y tiene el potencial de impactar el crecimiento.
Economía a gran escala han sido directamente vinculados a la productividad del sistema de cultivo 7-19. Por otra parte, reciclar medio en el sistema de crecimiento de microalgas, ya sea para estanques abiertos de rodadura (ORP) o fotobiorreactores (PBR) es fundamental, ya que representa el 99,9 y el 99,4% de la masa, respectivamente 20. La presencia de contaminantes inorgánicos en los medios de comunicación en última instancia, podría limitar mproductividad icroalgae y el reciclaje de los medios de comunicación debido a la acumulación de contaminantes. Este estudio determinó experimentalmente el impacto de 14 contaminantes inorgánicos (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V y Zn), en concentraciones esperadas de la integración de los sistemas de cultivo de microalgas con carbón deriva de gases de combustión, en la productividad de N. salina cultiva en PBR transporte aéreo. Los contaminantes utilizados en este estudio se ha demostrado que no sólo estar presente en los gases de combustión a base de carbón, pero los gases de combustión a base de residuos municipales, los gases de combustión biosólidos basada, las aguas residuales municipales, agua producida, deterioro de las aguas subterráneas y el agua de mar 21-23. Las concentraciones utilizadas en este estudio se basan en lo que se esperaría si los sistemas de crecimiento de microalgas se integraron con una fuente basada en el carbón de CO 2 con una eficacia demostrada en la captación de los sistemas de derechos de obtentor comerciales 20. Los cálculos detallados de apoyo las concentraciones de los metales pesados y contaminantes inorgánicos se presentan en Napanet al. se utilizaron 24 técnicas analíticas para entender la distribución de la mayoría de los metales en la biomasa, medios de comunicación y el medio ambiente. Los métodos presentados permitieron la evaluación de la productividad potencial de las microalgas bajo estrés contaminante inorgánico y cuantificación de su destino final.
N. microalgas Saline salina puede cultivar con éxito en el sistema de crecimiento diseñado con resultados repetibles y altos rendimientos de biomasa. Puente aéreo de la mezcla permitió un cultivo suspendido bien mezclada con sedimentación mínima o la contaminación biológica durante los períodos de crecimiento de 7 días. La variabilidad mínima luz a través del banco de luz fluorescente también se destaca por no producen diferencias notables en el crecimiento.
El…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |