Eräiden biopolttoainesovelluksiin käyttökelpoisten mikroleväkantojen fotosynteesin valo- ja lämpötilavasteet
| Title: | Eräiden biopolttoainesovelluksiin käyttökelpoisten mikroleväkantojen fotosynteesin valo- ja lämpötilavasteet |
| Author(s): | Nieminen, Martta |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences |
| Discipline: | Environmental Biology |
| Language: | Finnish |
| Acceptance year: | 2013 |
| Abstract: |
The trend of energy policy in European Union as well as in international context has lately been to increase the share of renewable biofuels. The causes for this are global warming, shrinking reserves of fossil fuels and governments' aspiration for energy independence. Microalgae have shown to be a potential source of biofuels. Though cultivation of microalgae has a long history, has production for fuel yet been unprofitable. Production has become more effective as cultivation has shifted from open ponds to controlled photobioreactors but to achieve effective cultivation methods substantially more understanding on the ecophysiology of microalgae is needed. The aim of my thesis was to research the optimal light intensity and temperature of photosynthesis for three microalgae (Chlorella pyrenoidosa, Euglena gracilis and Selenastrum sp.), which are the main parameters limiting the level of photosynthesis in nutrient rich environments such as photobioreactor.
The research strains were incubated in eight light intensities (0,15-250 µmol m-2 s-2) and in 5-6 temperatures (10-35 °C). Photosynthetic activity was determined with radiocarbon method which is based on the stoichiometry of photosynthesis. The purpose of radiocarbon method is to estimate how much dissolved carbon dioxide do the algae assimilate when photosynthesizing. In the method the algae are incubated in light and dark bottles where certain amount of radiocarbon (14C) has been added as a tracer. The algae fix 14C in the proportion to available 12C. 14C method has become the most common way to measure the photosynthesis of microalgae.
All of the algal strains grew in 10-30 °C but C. pyrenoidosa was the only one which grew also in 35 °C. The data was analyzed by fitting them with two photosynthesis-light intensity relationship models and one photosynthesis-temperature relationship model and as a result values of essential parameters, i.e. optimal light intensity (Iopt) and temperature (Topt) for photosynthesis, could be estimated. The model which gave the best fit was chosen to describe the photosynthesis-light intensity relationship. The optimal light intensity for C. pyrenoidosa ranged between 121–242 µmol m-2 s-2 and optimal temperature was 15 °C. Corresponding values for E. gracilis were 117-161 µmol m-2 s-2 and 24,1 °C, and for Selenastrum sp. 126-175 µmol m-2 s-2 and 16,7 °C. Q10-values were also determined.
With all research strains, the level of photosynthesis increased as light intensity and temperature grew until optimal values were reached. The strains tolerated higher light intensities in warmer temperatures but after reaching the optimal temperature, the level of photosynthesis did not increase any more with elevating temperature. Robust algal strains, i.e. strains, that are most adaptable in terms of light intensity and temperature, are the most prominent ones for biofuel production. From these research strains the most adaptable strain in terms of light intensity was C. pyrenoidosa and in terms of temperature Selenastrum sp. C. pyrenoidosa had superior carbon fixation rate in relation to cell size. Therefore it can be concluded that C. pyrenoidosa is the most suitable algal strains for biofuel applications of the strains assessed here.
Niin Euroopan unionin kuin kansainvälisenkin energiapolitiikan päämääränä on viime vuosina ollut lisätä uusiutuvien polttoaineiden osuutta kokonaiskulutuksesta. Syinä trendiin ovat hupenevat fossiiliset polttoainevarannot ja kansakuntien pyrkimys energiaomavaraisuuteen. Mikrolevät ovat osoittautuneet potentiaaliseksi biopolttoaineiden raaka-aineeksi. Vaikka mikrolevien viljelyllä on pitkä historia, on tuotanto polttoaineeksi ollut toistaiseksi kannattamatonta. Tuotanto on tehostunut viljelyn siirtyessä avoimista ulkoaltaista säädeltävimpiin fotobioreaktoreihin, mutta tehokkaan tuotannon aikaansaamiseksi tarvitaan vielä paljon ymmärrystä mikrolevien ekofysiologiasta. Tutkielmassani pyrin selvittämään kolmen mikroleväkannan (Chlorella pyrenoidosa, Euglena gracilis ja Selenastrum sp.) fotosynteesin vastetta valointensiteettiin ja lämpötilaan, jotka ovat tärkeimmät fotosynteesin tasoa rajoittavat tekijät fotobioreaktorin kaltaisessa ravinnerikkaassa kasvuympäristössä.
Valittuja leväkantoja inkuboitiin kahdeksassa eri valointensiteetissä (0,15–250 µmol m-2 s-2) ja 5–6 eri lämpötilassa (10–35 °C). Fotosynteesi määritettiin radiohiilimenetelmällä, joka perustuu yhteyttämisen stoikiometriaan. Radiohiilimenetelmän tarkoituksena on arvioida, kuinka paljon mikrolevät yhteyttäessään sitovat veteen liuennutta epäorgaanista hiiltä. Menetelmässä leviä inkuboidaan valo- ja pimeäpulloissa, joihin on lisätty tunnettu määrä radioleimattua hiiltä (14C), jota levät käyttävät samassa suhteessa kuin epäorgaanisen hiilen kokonaisvarantoa. Radiohiilimenetelmästä on tullut yleisin tapa mitata mikrolevien fotosynteesiä. Tulokset laskettiin solumäärää kohti. Myös koeviljelmäveden solujen kuivapaino ja klorofylli a -pitoisuus mitattiin solujen fysiologisen tilan arvioimiseksi.
Kaikki mikroleväkannat kasvoivat 10–30 °C:ssa, mutta vain C. pyrenoidosa -kannan inkubointi onnistui myös 35 °C:ssa. Tulokset analysoitiin käyttämällä kahta mallia fotosynteesin valovasteelle (Peeters ja Eilers 1978, Platt ym. 1980) ja yhtä fotosynteesimaksimiin sovitettua lämpötilamallia (Lehman ym. 1975). Näiden avulla pyrittiin arviomaan fotosynteesiin liittyvien keskeisten parametrien arvoja, so. fotosynteesille optimaalista valointensiteettiä (Iopt) ja lämpötilaa (Topt). Myös Q10-lämpötilakertoimet määritettiin. Lämpötilamalli arvioi fotosynteesin maksimille optimaalisen lämpötilan. C. pyrenoidosa -kannan fotosynteesille optimaalinen lämpötila oli 15 °C ja optimaalinen valointensiteetti tässä lämpötilassa oli 222 µmol m-2 s-1. Vastaavat arvot E. gracilis -kannalle olivat 24,1 °C ja 152 µmol m-2 s-1 ja Selenastrum-kannalle 16,7 °C ja 154 µmol m-2 s-1.
Kaikilla lajeilla fotosynteesin taso nousi valointensiteetin ja lämpötilan kasvaessa, kunnes saavutettiin kyseisten muuttujien optimaaliset arvot. Tutkimusleväkannat sietivät suurempia valointensiteettejä korkeammassa lämpötilassa, mutta optimilämpötilan saavuttamisen jälkeen, yhteyttämisen taso ei enää noussut lämpötilan noustessa. Robustiset leväkannat eli kannat, jotka ovat lämpötilan ja valointensiteetin suhteen joustavia, sopivat parhaiten mikrolevätuotantoon. Tutkimuslajeistani lämpötilan suhteen juostavin laji oli Selenastrum sp. ja valointensiteetin suhteen C. pyrenoidosa. C. pyrenoidosa -kanta oli solukokoon suhteutettuna yhteyttämiskyvyltään ylivoimainen, joten työni perusteella tutkimuskannoista C. pyrenoidosa olisi paras valinta biopolttoaineviljelyyn.
|
| Keyword(s): | Chlorella pyrenoidosa Euglena gracilis Selenastrum sp. microalgae light intensity temperature radiocarbon method modeling biofuel mikrolevä valointensiteetti lämpötila radiohiilimenetelmä mallinnus biopolttoaine |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| MarttaNieminen_progradu.pdf | 1.034Mb |