整合生物和化工有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba使用绿色微藻bioproducts代封存gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

由于世界人口的增长,人类和工业活动,包括主要是燃烧化石燃料和森林砍伐,二氧化碳的增加(有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)和温室气体(GHG)排放被观察到。自工业革命以来,大气COgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba从1750年的280 ppm浓度增加到2022年的421 ppm(美国NOAA全球监测实验室)gydF4y2Ba国家海洋和大气管理局(NOAA), 2021年gydF4y2Ba]。生态系统和环境的变化,由于增加的碳足迹是积极评估和报告的政府间气候变化专门委员会(IPCC)。这个面板,包括195个成员国的科学界,评估影响和未来潜在的风险,并提出适应和缓解选项如负排放技术的实现(网)(gydF4y2Ba政府间气候变化专门委员会,2022年gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

一方面,碳捕获利用和储存(CCUS)技术旨在缓解有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba排放到大气中gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba海洋地质存储、存储、和矿物碳化(gydF4y2Ba克拉克和江,2014年gydF4y2Ba)。传统碳矿化由固定碳到稳定矿物,可以随后用于各种工业应用(gydF4y2Ba联合国政府间气候变化专门委员会,2005gydF4y2Ba;gydF4y2Ba格拉瑟et al ., 2016gydF4y2Ba;gydF4y2Ba伍德奥et al ., 2019gydF4y2Ba)。碳酸亚稳相的形成是preferrable尤其是碳酸盐矿物用于微藻生长,因为他们可以迅速沉淀和溶解迅速(gydF4y2Ba你们et al ., 2019gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

另一方面,可再生能源,如太阳能、风能、地热、生物质能有助于减少有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba排放到大气中。从这个意义上讲,光合微生物如微藻和蓝藻细菌被认为是一个有吸引力的网络隔离由于能力有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba从大气中以及工业烟气(gydF4y2Ba塞尔,2010gydF4y2Ba;gydF4y2BaRazzak et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2Ba杜兰et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaDaneshvar et al ., 2022gydF4y2Ba)。此外,他们生长在相对较短的时间通过从太阳获取能量和使用生活用水资源,与其他可再生原料。此外,microalgal生物质已经评估了一系列bioproducts,从燃料、肥料、生物塑料,食品,化妆品,等等;代表合适的生物炼制取代化石产品(gydF4y2Ba汗et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaMishra et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2BaDolganyuk et al ., 2020gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

到目前为止,大型藻类生物质生产和商业化的可行性仍然是不利的部分原因是高藻生物量生产力需要降低资本和运营成本高(gydF4y2BaUmmalyma et al ., 2021gydF4y2Ba)。值得注意的是,其中一个主要的限制因素是碳供应。事实上,限制不是二氧化碳的来源,但其高效的交付和利用符合成本效益的方式。大气的低溶解度有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在藻池塘设置一个限制藻类的碳吸收量低(gydF4y2Bade戈蓝et al ., 2014gydF4y2Ba;gydF4y2BaChisti 2016gydF4y2Ba)。纯运输有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba长距离(有时)或共存的藻池塘和烟气来源经济不利的(gydF4y2BaBenemann 2013gydF4y2Ba;gydF4y2Ba萨默斯和奎因,2019gydF4y2Ba)。此外,公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba以气态的形式提供容易逃离酒文化在使用最常见的培养系统,如开放池塘、而不是捕获和使用的藻细胞,由于其传质效率差。因此,低有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba固定利率。一些研究探讨了利用膜碳化和碳化列和污水坑增加碳效率转移到水(gydF4y2BaEustance et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba赖et al ., 2020gydF4y2Ba)。而其他的,如gydF4y2BaPancha et al。(2015)gydF4y2Ba,gydF4y2BaNajafabadi et al。(2015)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba辛格et al。(2022)gydF4y2Ba研究了使用碳酸氢盐(HCO吗gydF4y2Ba${}_{\mathrm{3gydF4y2Ba}}^{-\; -\; -\; -\; -\; -gydF4y2Ba}$)增加生物量生产力以及脂类的内容。喂养HCO的策略gydF4y2Ba${}_{\mathrm{3gydF4y2Ba}}^{-\; -\; -\; -\; -\; -gydF4y2Ba}$是可行的微藻类和蓝细菌能够成功碳酸氢转换为二氧化碳gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba酶促反应由碳酸酐酶酶,称为碳集中机制(gydF4y2Ba王et al ., 2015gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

此外,生产生物质废物流的使用可以帮助经济的过程除了减少自然资源的消耗(gydF4y2Ba拉默斯et al ., 2017gydF4y2Ba)。氨/铵,最常见的一种离子处理各种类型的废水gydF4y2BaSalbitani和意大利,2021年gydF4y2Ba),是首选形式的氮利用微生物由于其直接同化和低能量需求与其他氮相比。然而,一方面,其消费减少池酸度作为微藻反应保持生理上的细胞内环境,导致产量低和生长抑制(gydF4y2BaEustance et al ., 2013gydF4y2Ba)。另一方面,pH值增加到9可能导致毒性由于氨氮的转化。因此,使用氨(铵溶液)需要健壮的pH值控制。gydF4y2Ba

我们的假设是结合引发的低pH值废水中的氨消费使用亚稳碳酸盐与metabolic-based pH值控制,提供重碳酸盐碳形式能够保持在溶液中,将改善文化环境,提高生物量增长以及碳转移和利用效率。换句话说,通过整合公司的固定gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba光合作用(生物)和无机形式的形成gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba矿物碳化(化学),我们的目标是在提高碳溶解度和池塘中获得较高的生物量和bioproducts转移生产。因此,本研究的目的是评估的增长光合淡水polyculture使用一个工业富氮废水混合,并添加碳酸盐亚稳镁碳酸盐(碳酸镁石)和碳酸钠作为碳源(1)保持pH值在生理适宜的范围内,(2)促进健康成长相比,一个控制(BG-11培养基)。此外,生物量的组成的脂质含量提供了一个了解其潜在的代生物能源等不同的生物产品。本研究旨在集成有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba封存来自不同来源(例如,有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba捕获的亚稳矿物质和藻类固定大气COgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和HCOgydF4y2Ba${}_{\mathrm{3gydF4y2Ba}}^{-\; -\; -\; -\; -\; -gydF4y2Ba}$在解决方案)减少碳足迹产生增值产品。gydF4y2Ba

材料和方法gydF4y2Ba

设置和操作条件gydF4y2Ba

本研究在实验室规模进行了室内开放跑道池塘设置从MicroBio购买工程(美国加州)组成的4核反应堆100 L的工作能力,20厘米深度和整体面积0.5 mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba每一个。gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba显示了试验系统的配置。废水作为增长的混合媒体由一个工业废水植物影响的硝酸铵(一)溶液混合与宏观和微量营养素补充了BG-11淡水生长介质。这些废水流特征,评估如前所述gydF4y2Ba亚伯拉罕et al。(2018)gydF4y2Ba。废水的成分混合用于本研究4±0.5毫克总有机碳/ L, 34±2毫克溶解无机碳(DIC) / L和50±5毫克总氮/ L。修改BG-11的食谱中所描述的使用gydF4y2Ba补充表1gydF4y2Ba。反应堆注射淡水光合polyculture约9种不同的松散、丝状藻类和蓝藻开发户外所描述的gydF4y2Ba亚伯拉罕et al。(2020)gydF4y2Ba。polyculture包括gydF4y2Ba小球藻sp栅藻spp。Chlorococcum sp, Coelastrum sp Dictyosphaerium sp、纤维藻属sp,丝藻属sp,毛枝藻sp.和颤藻spgydF4y2Ba。在最近的研究中,这个财团中描述的生长条件下培养gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba。每个实验做了至少一式两份(gydF4y2BangydF4y2Ba= 2),命名为实验1,1gydF4y2BargydF4y2Ba、2、2gydF4y2BargydF4y2Ba等。第一个3测试及其复制下进行大气COgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba:实验1和(1gydF4y2BargydF4y2Ba)由一个文化使用BG-11生长培养基(nitrate-based介质,控制,没有废水),2和(2gydF4y2BargydF4y2Ba)对应于废水混合,添加少量的碳酸盐碳酸钠2和3天,和实验3和(3gydF4y2BargydF4y2Ba)类似于使用亚稳碳酸盐即碳酸镁石(MgCO实验2gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)产生在我们的实验室。此外,实验4和4gydF4y2BargydF4y2Ba由清除纯有限公司吗gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba每天3 h到系统使用微扩散器(美国Pentair)以及在需要时添加碳酸盐缓冲pH值(在同一个小剂量用于测试2和3)。一个流量计用于记录的数量有限gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba注入系统。C添加的数量是6克/天/反应堆。所有三个实验及其复制(2,2gydF4y2BargydF4y2Ba、3、3gydF4y2BargydF4y2Ba4和4gydF4y2BargydF4y2Ba),增加碳酸盐在小剂量,代表共0.5克C沿着7天为每个实验。所有实验进行了3.2毫米的氮(作为控制硝酸,或硝酸盐和铵的混合物,在废水的情况下)。N / P比值在所有的测试都是一样的(15:1)。修改BG-11的食谱中所描述的使用gydF4y2Ba补充表1gydF4y2Ba。持续监控的pH值、温度和溶解氧(做)记录和存储使用APEX-Fusion控制器(海王星系统、钙、美国)。自然蒸发的水从水沟反应堆是由过滤水每隔一天。生物质是每星期收获,收获量是替换同等体积的废水混合和养分。gydF4y2Ba

样品分析gydF4y2Ba

干重,表示为无灰干重(AFDW),确定每日通过测量总悬浮和挥发性固体(TSS和VSS分别在g / L)标准方法APHA-AWWA-WEF 2540 D(后gydF4y2BaAPHA-AWWA-WEF 2005gydF4y2Ba)。短暂、玻璃微纤维过滤器文件(绘画纸1821 - 055)为2 h pre-ashed 550°C,然后存储在干燥器中。接下来,pre-ashed过滤器是称重和放置在一个过滤装置,湿用去离子水和藻类文化过滤量决定。过滤器就干2 h在105°C,搬到了一个干燥机冷却至室温,称重得到样本的干重。过滤器然后放在烤箱在550°C 2 h,迁到真空干燥器冷却,最后重AFDW。使用数字显微镜显微图的生物质被抓获(美国VT Biotek) brightfield和荧光(叶绿素过滤器)模式。碳测定总碳(TC)和TOC(总有机碳)使用Teledyne Tekmar TOC融合仪器评估溶解无机碳(DIC)池塘。铵、镁、钠、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐测定离子色谱法(IC)使用IonPacgydF4y2Ba^®gydF4y2BaDionex CS16(4×250毫米)和AS18(2×250毫米,Dionex)列阳离子和阴离子。区域生物生产力(P)是根据计算gydF4y2BaKnoshaug et al。(2018)gydF4y2Ba。短暂,收获的产量计算区域生产力通过考虑量(质量)的藻类生物量收获从每个池塘(AFDW) -最初的培养液(对应于净增长,NG),乘以体积收获每次(60 L),除以0.5gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(池塘的面积),通过文化的时间(7天)。每个池塘的生物质区域生产力平均到达生产力数量。海藻浆样本所有反应堆都集中由重力沉降和离心中描述gydF4y2BaRoyChowdhury et al。(2019)gydF4y2Ba,总固体(TS)和挥发性固体(VS)每个样本的测量。元素分析培养液和生物质获得由中文元素分析仪。gydF4y2Ba

碳利用效率gydF4y2Ba

对于每一个实验,碳利用效率(提示)计算。提示被定义为固定碳生物量的比例的总输入碳添加到系统中。碳固定的生物是由获得的净增长(NG)乘以生物质中的碳含量(gydF4y2BaCgydF4y2Ba_{生物gydF4y2Ba}),由元素分析。总输入碳(TCgydF4y2Ba_在gydF4y2Ba)计算的和各种碳形式添加到系统在不同的实验,如大气碳碳从矿物质和碳有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba油箱gydF4y2Ba_。gydF4y2Ba碳溶解在溶液中(从大气和矿物质)是衡量TOC分析仪虽然气态碳注入(Exp # 4)被使用流量计测量。gydF4y2Ba

在AFDW对应无灰干重(g / L)gydF4y2BatgydF4y2Ba时间和在初始时间或gydF4y2BatgydF4y2Ba0(剂)。gydF4y2Ba

碳酸盐矿物gydF4y2Ba

碳酸钠(NagydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有限公司gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba)购买的费舍尔科学而碳酸镁石(MgCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)获得了在我们的实验室中描述gydF4y2Ba你们et al。(2019)gydF4y2Ba。简单地说,在这个系统1.25 M氢氧化钠溶液和纯净化有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba24 h和稳定,其次是MgCl添加解决方案gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba。然后,解决方案是混合长达24 h,和沉淀恢复,在室温下用超纯水洗净,晒干。获得的碳酸盐矿物特征是通过扫描电子显微镜(SEM,御夫座40,蔡司)和x射线衍射分析(XRD、天涯IV, Rigaku)。gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba显示获得的晶体的特点和用于这项研究。gydF4y2Ba

藻油的提取和定量分析gydF4y2Ba

详细描述的采油设备中可以找到gydF4y2BaRoyChowdhury et al。(2019)gydF4y2Ba和gydF4y2BaAbimbola et al。(2021)gydF4y2Ba。在这项研究中,一个常数的乙醇溶剂(100克),15克藻粘贴在7.5 wt. % TS,和3 h的萃取时间。随后,恢复脂质是transesterified使用部分脂肪酸甲基酯的方法(饥饿)。gydF4y2Ba

脂肪酸甲酯(饥饿)gydF4y2Ba

饥饿的分析进行了描述gydF4y2BaAbimbola et al。(2021)gydF4y2Ba后两个步骤。第一个对应的酯基转移作用,脂质在100°C 90分钟,第二步对应的识别和量化的使用气相色谱仪(GC)。在第一步中,大约35毫克的海藻油derivatized通过添加乙酰氯的混合物和酸化甲醇体积(1:20)与石油exothermically反应在100°C 90分钟。与水反应就熄了,随后,饥饿是有选择地从derivatized原油中提取到庚烷层导致在2700 rpm离心法heptane-derivatized油混合后15分钟。后来,整洁的庚烷层包含的样本注入了GC的名望。gydF4y2Ba

饥饿是量化使用安捷伦GC-FID 122 - 2361配备了DB-23列(60 m×250×0.15μm)作为载气和氦。约μL整洁的名声样本引入的GC使用autosampler split-splitless模式,分流比50和50毫升/分钟的分流。峰的分辨率最好分开在烤箱温度项目最初50°C 1分钟,温度斜坡25°C /分钟到175°C和保存时间为1分钟,4°C /分钟增加到230°C的保存时间5分钟。FID检测器被设定在280°C时,气流,氢氦流和化妆流是设定在450年,40岁和30毫升/分钟。gydF4y2Ba

建模gydF4y2Ba

在这篇文章中,一个模型描述了藻类的生长动力学和碳酸盐溶解加上地球化学模型实现的。解决方案的模型描述了进化和悬架组成,它可以用来预测公司的行为gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba-microalgae-brine系统条件下在实验室里不探索。该模型是一个扩展的发表在我们的早期作品(gydF4y2BaPrigiobbe 2018gydF4y2Ba;gydF4y2Ba你们et al ., 2019gydF4y2Ba)和描述了藻类浓度的进化(gydF4y2BaXgydF4y2Ba、mg / L)和基质如碳(gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_cgydF4y2Ba、mg / L)和阳离子(gydF4y2BacgydF4y2Ba_我gydF4y2Bamg / L),gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BatgydF4y2Ba时间(天)gydF4y2BacgydF4y2Ba_{cgydF4y2Ba,二氧化碳gydF4y2Ba}碳当量浓度的水有限公司吗gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba根据亨利定律gydF4y2Ba

与gydF4y2BaKgydF4y2Ba_HgydF4y2Ba亨利常数等于1470毫克/ (L·atm) 25°C,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{有限公司gydF4y2Ba2gydF4y2Ba}有限公司的分压gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,等于大气,即。,3.9×10gydF4y2Ba^{−4gydF4y2Ba}自动取款机;巴勒斯坦权力机构gydF4y2Ba_CgydF4y2Ba和点gydF4y2Ba_{二氧化碳gydF4y2Ba}是原子量和分子量的碳和公司吗gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,分别。一阶动力学为有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba解散的解决方案被认为是和gydF4y2BakgydF4y2Ba_{有限公司gydF4y2Ba2gydF4y2Ba}是溶解速率常数(1 /天)。c一词gydF4y2Ba_{c, HCO3gydF4y2Ba}是碳酸氢的浓度(HCOgydF4y2Ba${}_{\mathrm{3gydF4y2Ba}}^{-\; -\; -\; -\; -\; -gydF4y2Ba}$)碳当量,mg / L,发布在碳酸盐溶解假设当地的平衡。gydF4y2Ba

下标gydF4y2Ba我gydF4y2Ba方程3指毫克gydF4y2Ba^{2 +gydF4y2Ba}或NagydF4y2Ba^+gydF4y2Ba和gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba是stochiometric溶解系数反应(i)和(ii)等于1和2,分别。gydF4y2Ba

此外,gydF4y2BaKgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba},gydF4y2BaKgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba,μgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba},gydF4y2BaYgydF4y2Ba是莫诺half-saturation常数(毫克/升),内生衰变系数(1 /天),微藻的最大比生长速率(1 /天)和产量(-),分别;α和β是模型参数和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_我gydF4y2Ba是过度饱和的碳酸盐MgCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO或NagydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有限公司gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba分别gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaKgydF4y2Ba_spgydF4y2Ba是碳酸镁石/钠碳酸盐的溶解性在实验温度下,gydF4y2BacgydF4y2Ba_HgydF4y2Ba是质子浓度,cgydF4y2Ba_HCOgydF4y2Ba3是碳酸氢的浓度。gydF4y2Ba

方程1到4通过地球化学耦合模型和他们离散有限差分格式在时间和在MATLAB解决了迭代(gydF4y2BaMATLAB, 2021gydF4y2Ba)。估计了模型参数的反演模型实验数据使用的功能gydF4y2BalsqnonlingydF4y2Ba。gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

碳利用率和生物质生产gydF4y2Ba

你们et al。(2019)gydF4y2Ba证明了亚稳碳酸镁石(MgCO等碳酸盐gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba.3HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)和苏打石(NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba)是一种潜在的替代碳源对藻类生长在封闭的实验室规模的生物反应器。此外,这些矿物的溶解pH值大幅增加,与他们的浓度成正比。浓度高于溶解度的碳酸镁石再次引发固体阶段的降水,限制微生物的营养供应。在当前的研究中,MgCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba.3HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO和碳酸钠(NagydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有限公司gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba)晶体被添加在低浓度下(溶解度值)缓冲microalgal文化媒体组成的废水混合在100 L ammonium-N开放跑道池反应堆。gydF4y2Ba

初步测试在实验室规模(150毫升工作体积,gydF4y2Ba补充图1gydF4y2Ba)表明,这些晶体可以缓冲介质中含有铵和维持经济增长的最佳生理pH值。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba显示了沿着每个实验工艺参数和复制测试100 L(实验1,1gydF4y2BargydF4y2Ba、2、2gydF4y2BargydF4y2Ba3和3gydF4y2BargydF4y2Ba)。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba(第一行)显示在这项研究中,池塘内的水温,介于13.5和19°C之间的平均气温16°C。这些温度对应于实验值和降低藻类生长的最佳值范围(gydF4y2Ba赵和苏,2014年gydF4y2Ba)。在gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba(第二个和最后一行),pH值和趋势也可以观察到。pH值和在线测量参数遵循生物量增长至关重要,在研究系统的性能。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba第二行显示了pH昼夜周期之间波动。除了这种模式,对于实验1,pH值随着时间的推移增加藻类增长和硝酸消耗BG-11媒介。相比之下,实验2和3的pH值趋势下降的消费中铵废水混合。这些pH值变化与生理因素在藻类的生长和硝酸盐或铵的相对吸收的藻类如以下公式所示:gydF4y2Ba

两个化学计量反应表示光合作用的过程或生物合成能光合自养的系统。括号对应于藻类生物量之间的公式。硝酸吸收导致pH值上升由于一代碱性pH值而导致铵的吸收减少由于碱度的消耗(gydF4y2BaEbeling et al ., 2006gydF4y2Ba;gydF4y2BaEustance et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2BaChisti 2016gydF4y2Ba)。因此,在当前的研究中,添加了碳酸盐在天2和3(由箭头表示在各自的情节gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba)保持pH值和避免藻类崩溃由于pH值降低。相同数量的碳(5 mgC / L)添加碳酸从每个源使用,和结果表明,盐成功增加文化和维护它的pH值高于中立第五天。这是特别重要的,因为碱性吸收消耗的铵可以通过添加矿物碳酸盐和重组,因此,保持pH值在生理水平。两种矿物质可以贡献大量的缓冲能力。在第五天,NagydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有限公司gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba似乎有更好的培养基pH缓冲能力的时期。因此,如果使用亚稳碳酸盐碳,除了应该执行较长时间间隔和频率按照收获。gydF4y2Ba

最后一行在gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba显示溶解氧(做)值,光合作用的产物之一,随着生物质。氧气溶解成水从大气和微藻。像pH值,值波动之间昼夜周期,显示白天生产的氧气由于光合作用,并减少氧气在晚上由于光呼吸或释放到大气中的氧气从池塘水。这些值是相当类似的重复执行。变化从9到12.5 mg / L,和稍高值获得BG-11 polyculture增长的比废水混合。在所有情况下表示光合作用产生的做活动高于光呼吸。在水溶液在这个温度范围是8和9毫克/升之间。gydF4y2Ba

此外,AFDW测量进行了日常的实验评估藻类的生长。gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba总结了净生长和生物量生产力3实验进行观察。净增长(计算生物量在第七天-AFDWt - -生物质接种后在初始时间或重新启动文化从收获-AFDWt0) nitrate-based媒体(实验1和1gydF4y2BargydF4y2Ba)是类似氨的废水混合,实验2,2gydF4y2BargydF4y2Ba3和3gydF4y2BargydF4y2Ba)与小剂量的缓冲钠或矿物质镁碳酸盐。因此,生物生产力获得相当于所有测试。这些值符合文献值藻类的生长实验使用开放池塘(执行gydF4y2BaNarala et al ., 2016gydF4y2Ba;gydF4y2Ba麦金尼et al ., 2017gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

总的来说,似乎光合联盟(gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba)可以生长在污水混合物与碳酸盐缓冲不添加额外的N;因此,降低物流和成本的过程。此外,联盟的协同作用的物种可以捕获碳上发挥作用,在悬浮藻类增长财团的散装酒(gydF4y2Ba图4 cgydF4y2Ba,gydF4y2BaDgydF4y2Ba)可以捕获二氧化碳和重碳酸盐溶解和丝状藻类和蓝细菌生长在池塘的表面像浮动垫(gydF4y2Ba数字4gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba,gydF4y2BaEgydF4y2Ba)可以直接捕获气态的二氧化碳从大气中。此外,该财团似乎是抵御捕食者和环境条件避免池塘崩溃。文化保持一个健康的绿色在所有实验运行,没有出现黄色或褐色的颜色开发(gydF4y2Ba图4一gydF4y2Ba)。同样,多项研究表明,使用社区的物种提供了更高的生物稳定性和更好的宽容对不断变化的环境条件。例如,gydF4y2BaStockenreiter et al。(2016)gydF4y2Ba研究multispecies社区在城市污水时获得更高的增长和营养消耗增加物种的数量在社区。此外,生物量增长价值相当于单一栽培的。gydF4y2Ba科克兰和波音公司(2012)gydF4y2Ba以及gydF4y2Ba拉默斯et al。(2017)gydF4y2Ba表明,藻polycultures更有益的和稳定的藻单一栽培相比,由于他们抵抗掠食者和环境条件。gydF4y2Ba

第一组实验完成后,执行另一个测试来评估生物生产力的增加carbonate-buffered铵系统。为此,从纯源二氧化碳(100%股份有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)注入增加酒的碳浓度的解决方案(实验4和4gydF4y2BargydF4y2Ba)。增加公司的分压gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在酒允许更好的传质,结果是,更高浓度的有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba用于光合作用(gydF4y2Ba辛格和辛格2014gydF4y2Ba;gydF4y2Ba赵和苏,2014年gydF4y2Ba)。在酒的pH值(7 - 8)大多数的公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba发现碳酸氢盐。gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba显示了pH值和做这个测试。这一次,结果表现为一个连续的文化与收获时间在7和14天,而不是复制(如gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba)。铵介质如前所述,pH值下降而被消耗由于铵碱度的消耗。C的碳酸盐(相同的小剂量使用过)pH值升高,它甚至在中性或碱性条件下,即使有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba是清除到系统中。因此,系统总是保持中立的pH值控制的或更高的碳酸盐的溶解成水。这个pH值上升和增加碳有利于藻生长中观察到gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba的时候,pH缓冲,做增加。gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba总结了增长率、净增长和生产率值获得了这个实验。正如预期的那样,生物量增长和生产率高于先前的实验由于添加的碳。gydF4y2Ba

建模结果gydF4y2Ba

修改后的莫诺模型用于估计在露天池塘中微藻的生长。这是假定大量的营养物质,除了碳,从大气和获得gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba碳酸盐矿物。据模型的实验数据实验# 1,2,3。gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba8gydF4y2Ba显示,藻类和底物浓度进化。gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba还包括Na的进化gydF4y2Ba^+gydF4y2Ba和毫克gydF4y2Ba^{2 +gydF4y2Ba}浓度的钠gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有限公司gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba和MgCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO提供。gydF4y2Ba

表3gydF4y2Ba报道了估计模型的参数值。衰变率的值并不像衰变过程的估计不是观察培养的时间跨度,这是本研究的范围。表中的值显示类似的最大比生长速率的微藻(μgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}为所有三个实验)。此外,公司的速度gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba解散(gydF4y2BakgydF4y2Ba_{有限公司gydF4y2Ba2gydF4y2Ba})减少从exp。1到2、3;这可能是由于在溶液中碳的浓度和/或介质的pH值,减少了动力有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba解散的解决方案。重要的是要指出,本文收率(gydF4y2BaY)gydF4y2Ba表示为g生物量c / g,比较其与文献值的倒数吗gydF4y2BaYgydF4y2Ba应计算。1 /的值gydF4y2BaYgydF4y2Baexp。1、2、3,其复制,分别为0.043,0.5,0.089 g C / g生物质,同意的最近的工作gydF4y2BaZurano et al。(2021)gydF4y2Ba,藻类的生长动力学参数估计。从实验参数α和β增加。2经验。3显示MgCO产生的溶解动力学gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba阿比商业Na的快gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有限公司gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

总的来说,模型描述的测量特别是考虑研究动态系统的复杂性,因此它有可能被用于优化增长动力学开放池塘反应堆使用矿物碳酸盐作为C来源时。然而,时间分辨率较高的数据集将使我们能够执行模型的进一步改进,以确保统计显著性以及探索系统动力学和系统的响应变化。gydF4y2Ba

生物质碳和潜在产品gydF4y2Ba

表4gydF4y2Ba总结了元素碳成分发现每个治疗。明显的数据,获得的生物质碳内容使用不同的治疗方法是关闭的。换句话说,文化下的碳同化相似nitrate-based媒体(1)ammonia-based媒体与碳酸盐缓冲(2、3)、碳酸盐和有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba微扩散(4)。不同治疗方法的效果测试的含油量收获海藻也类似于碳含量的观察。第三列的gydF4y2Ba表4gydF4y2Ba,它可以观察到,石油是实验内容接近,考虑每个实验的误差的偏差。这表明添加碳酸盐的方法来缓冲藻类氨文化是令人满意的,在添加气体有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba增加了生物质生产石油含量没有显著影响。因此,石油实验# 4的生产力也高(gydF4y2Ba表4gydF4y2Ba)。这些石油内容值按照文学(gydF4y2BaYoo et al ., 2010gydF4y2Ba),可以通过修改提高池塘的条件即文化。,通过一个dd我ngmore carbon to the system while reducing the N content as described by洛曼et al。(2015)gydF4y2Ba,gydF4y2BaNajafabadi et al。(2015)gydF4y2Ba和gydF4y2BaPancha et al。(2015)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图9gydF4y2Ba显示了脂肪酸甲酯(名声)分析进行实验# 1 (nitrate-based介质)和实验# 3 (ammonia-based介质与MgCO缓冲gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)。这种分析提供数据在饥饿从藻类中提取石油的成分。名声分析评估中提取石油的生物柴油潜力。此外,饥饿已知组成各种bio-functional抗菌素等材料,膳食补充剂,和保健品gydF4y2Ba陆et al ., 2015gydF4y2Ba;gydF4y2Ba斯托克斯et al ., 2020gydF4y2Ba)。总的来说,结果表明,大多数的饥饿是饱和脂肪酸,它显示略有不同概要文件取决于所使用的碳源。这将打开的可能性来设计和优化碳源,使藻类所需bio-product合成的。gydF4y2Ba

从gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba,饥饿C16-C18涵盖的范围高达40 - 45%的名声的内容。根据gydF4y2Ba歌et al。(2014)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba德斯穆克et al。(2019)gydF4y2Ba,在这个范围内存在的饥饿是最合适的原料在生物柴油的生产。此外,考虑到饥饿派生的总量,样品都有大约50 - 10%的饱和脂肪酸(美国)和单不饱和脂肪酸(MUFAs),分别。样品与样品# 1,# 3多不饱和脂肪酸较少(欧米伽)。根据gydF4y2Ba旧金山et al。(2010)gydF4y2Ba和gydF4y2BaManzoor et al。(2022)gydF4y2Ba,未饱和的程度会影响生物柴油的氧化稳定性。换句话说,美国和MUFAs改善生物柴油的稳定性。因此,因为PUFA含量较少的样本实验# 3,似乎与MgCO生物质产生的氨介质缓冲gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO可以产生饥饿与更高质量的生物柴油。gydF4y2Ba

最丰富的名声在这两个样品是0(棕榈酸甲酯)。这种化合物也被发现在石油的微藻类gydF4y2Ba美国的中间部gydF4y2Ba通过gydF4y2BaDavoodbasha et al。(2018)gydF4y2Ba显示,强大的抗菌和抗氧化活性。gydF4y2Ba

饥饿的报道,大约25 - 30%的饥饿并不确定,因此表达为“他人”gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba。进一步分析应该执行一个完整的解释结果。上的饥饿是酯交换反应的产物中提取石油。因此,基于提取油转化为饥饿的数量在样品# 1和# 3中,只有20岁和15%的石油报道内容转化为饥饿,分别。然而,一些研究在催化加氢处理的原油microalgae-extracted油藻油展示了升级(gydF4y2Ba杨et al ., 2016gydF4y2Ba)。例如,所进行的研究gydF4y2Ba周和Lawal (2016)gydF4y2Ba,表明提取石油可以转化为绿色柴油约有76.5%的转换gydF4y2Ba通过gydF4y2Bahydrodeoxygenation利用1% Pt催化剂。因此,虽然饥饿的收益率较低,采用hydrodeoxygenation后采油过程可以是一个有前途的方法来推导从收获海藻生物燃料在这工作。gydF4y2Ba

碳利用效率gydF4y2Ba

碳利用效率(提示)计算第一3实验相当(19%,21日16日实验# 1、2和3,分别)。在这些情况下,提示低由于低获得藻生物量增长和低碳含量的解决方案。较低的公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在大气中的浓度比其他气体(例如,0.04%的公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,21%的人啊gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和75% NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba),以及低溶解度的有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在白酒(由亨利定律所描述的)的结果是低光合活动。此外,酶核酮糖1 5 5-bisphosphate,羧化加氧酶(二磷酸核酮糖羧化酶)是一个responsibleof光合活动,修理有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有机碳的分子(如葡萄糖)gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba卡尔文本森循环,其低特异性是由公司的比率gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba:阿gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba浓度(gydF4y2Ba郑et al ., 2018gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

大气二氧化碳浓度下进行的实验中,在溶液中碳的数量(由TC-TOC)是来自公司的数量gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba溶解在溶液介质的pH值,根据其成分(如硝酸盐或铵),分别生成或消耗碱度。3实验达到类似的线索和生物质数量表明成功metabolic-based pH值控制氨的碳酸盐的媒体。在大气条件下,nitrate-based媒体展出pH值的增加由于增长,这反映了DIC的解决方案,而氨媒体增长降低pH值,由碳酸盐的调整(gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6 b, DgydF4y2Ba,gydF4y2Ba7 b, EgydF4y2Ba,gydF4y2Ba8 b, EgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

此外,提示增加了4倍(96%),当注射微气泡的有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba而与碳酸盐缓冲pH值。然而,一个更具成本效益的增加碳应该考虑在注入气体有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba。调查结果,下一个挑战将是评估的使用只有碳酸盐矿物溶解度水平下(总是)缓冲溶液和增加碳可用性藻类的生长,消除的气体有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

总的来说,碳酸盐物种是一个有前途的替代结合,捕捉和重用的有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba对微藻的生长。碳捕获过程、化学(gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba矿物碳化)和生物固定(gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba光合作用),可以合并成功,他们似乎是一个合适的策略,用废料生产藻生物量可以用来取代石油产品。碳酸盐的允许使用ammonia-rich废水流,最常见的一种离子废水和最有利的营养藻类由于低需求的快速增长的能量。严重的pH值波动可以成功缓冲使用工业烟气产生亚稳碳酸盐或浪费公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba排放从静止发酵角度。此外,碳酸盐的使用而不是气态的二氧化碳有潜力提高碳的利用率,避免损失的气氛。这种组合策略可能是有用的地理和时空上分离气态废物有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba记者从工业/市政植物和藻类生产农场。此外,这种方法将推动减少碳足迹。进一步的调查应该执行增加生物量生产力的独家使用碳酸盐C来源。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/gydF4y2Ba补充材料gydF4y2Ba,进一步的调查可以针对相应的作者。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

JA:概念化,调查数据收集、可视化、形式分析,原创作品草案,审查和编辑。副总裁:生产在这项研究中,使用的碳酸盐methodology-modeling,正式的分析建模,writing-review和编辑。助教:调查数据collection-FAME,正式的analysis-oil和名望,原创作品。答:资金收购、监督和writing-review和编辑。所有作者的文章和批准提交的版本。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

这项工作是支持的2009 - 372 / P010205636 LEIDOS合同。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

补充材料gydF4y2Ba

本文的补充材料在网上可以找到:gydF4y2Bahttps://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fclim.2022.949411/full补充材料gydF4y2Ba

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