The effect of light regimes on the performance of the microalgae Chlorella vulgaris for application in biological electrochemical systems

تأمین پایدار گیرنده الکترون به ویژه اکسیژن در محفظه کاتدی یکی از چالش های اساسی در سامانه های الکتروشیمیایی زیستی مانند MFC،MDC و PMDC می باشد. واکنش کاهش اکسیژن در کاتد به ‌شدت به غلظت اکسیژن محلول وابسته است و محدودیت اکسیژن می‌تواند باعث کاهش راندمان تصفیه فاضلاب، تولید انرژی و حذف نمک شود. از این رو استفاده از ریزجلبک‌ها به عنوان تامین کننده اکسیژن محلول (DO) در محفظه کاتد، می‌تواند جایگزینی مناسب برای هوادهی مکانیکی و یا استفاده مداوم از مواد شیمیایی باشد. در این پژوهش، اثر زمان ماند هیدرولیکی (HRT) و رژیم های نوری مختلف تاریکی (D) : روشنایی (L) به‌طور هم‌ زمان بر تغییرات رشد، دینامیک اکسیژن محلول و ترکیب بیوشیمیایی ریزجلبک Chlorella vulgaris با هدف کاربرد آن به‌ عنوان بیوکاتد و تامین ‌کننده حداقل DO در سامانه ‌های الکتروشیمیایی زیستی بررسی شد. ابتدا سیستم در حالت ناپیوسته مورد ارزیابی قرار گرفت و سپس در حالت پیوسته تحت HRT های 1.5، 2، 3 و 5 روز و رژیم‌های نوری,8L:16D 16L:8D ,12L:12Dو 24L:0D ساعت راهبری شد. در مرحله ناپیوسته، غلظت زیست‌توده از 0.6 به 2.7 گرم در لیتر افزایش یافت و بیشینه نرخ رشد مشاهده شد و میزان DO تا 12 میلی‌ گرم در لیتر افزایش یافت و در ادامه به دلیل افزایش تراکم سلولی، تشدید تنفس و خود سایه اندازی کاهش پیدا ‌کرد. نتایج کشت پیوسته در HRT های مختلف نشان ‌داد، بیشینه میزان زیست‌توده در HRT برابر 5 روز (معادل2.1 ‌ گرم در لیتر) و بیشینه DO در HRT برابر 2 روز ( معادل 8.5 میلی‌ گرم در لیتر) مشاهده ‌شد اما HRT برابر 3 روز به عنوان مقدار مناسب در ایجاد بهترین تعادل بین میزان غلظت زیست‌توده پایدار، در دسترس پذیری به نور و تولید خالص اکسیژن انتخاب‌شد. نتایج آزمایشات در رژیم‌های نوری مختلف نشان داد که اگرچه با افزایش مدت زمان روشنایی از 8 ساعت تا 24 ساعت، میزان رشد زیست‌توده و DO افزایش می یابد، اما با توجه به مصرف انرژی بالا و تنش نوری، این رژیم های نوری با زمان روشنایی بیشتر، گزینه ای بهینه برای بهره‌برداری بلندمدت نیستند. با تحلیل متابولیکی بیوشیمیایی در بین چرخه‌های نوری، نتایج نشان داد با افزایش دوره تاریکی، در رژیم نوری 8L:16D کمترین میزان تولید بایومس همراه با افت قابل توجه پروتئین و بیشترین تجمع لیپید ثبت شد. این رفتار ناشی از محدودیت انرژی دریافتی از نور و ایجاد شرایط تنش متابولیکی است که منجربه مهار رشد و هدایت کربن به سمت سنتز لیپید به‌عنوان یک مسیر ذخیره انرژی می‌گردد. در نهایت این رژیم به دلیل تامین حداقل DO مورد نیاز پیل‌های الکتروشیمیایی زیستی و همچنین مصرف کمتر انرژی به عنوان چرخه مناسب تعیین شد. برآیند یافته‌های گزارش‌شده در منابع پیشین حاکی از آن است که انتخاب رژیم نوری باید متناسب با هدف فرایندی انجام شود، بر این اساس، نتایج این پژوهش نشان داد که بهینه‌سازی همزمانHRT و رژیم نوری در رشد ریزجلبک Chlorella vulgaris، می‌تواند روشی موثر برای افزایش پایداری تولید DO، کاهش وابستگی به هوادهی مکانیکی و مواد شیمیایی و نیز ارتقای عملکرد بیوکاتدهای ریزجلبکی در سامانه‌هایی الکتروشیمیایی زیستی مانند MFC،MDC و PMDC باشد.