Temporal changes in the characteristics of algae in Dianchi Lake, Yunnan Province, China

Abstract

Algal blooms have become a worldwide environmental concern due to water eutrophication. Dianchi Lake in Yunnan Province, China is suffering from severe eutrophication and is listed in the Three Important Lakes Restoration Act of China. Hydrothermal liquefaction allows a promising and direct conversion of algal biomass into biocrude oil. In this study, algal samples were collected from Dianchi Lake after a separation procedure including dissolved air flotation with polyaluminum chloride and centrifugation during four months, April, June, August and October. The algal biochemical components varied over the period; lipids from 0.7% to 2.1% ash-free dry weight (afdw), protein from 20.9% to 33.4% afdw and ash from 36.6% to 45.2% dry weight. The algae in June had the highest lipid and protein concentrations, leading to a maximum biocrude oil yield of 24.3% afdw. Biodiversity analysis using pyrosequencing revealed different distributions of microbial communities, specifically Microcystis in April (89.0%), June (63.7%) and August (84.0%), and Synechococcus in April (2.2%), June (12.0%) and August (1.0%). This study demonstrated remarkable temporal changes in the biochemical composition and biodiversity of algae harvested from Dianchi Lake and changes in biocrude oil production potential.

Keywords

algal blooms / temporal change / biochemical property / biodiversity / hydrothermal liquefaction

References

[1] Smolders A J P, Lamers L P M, Lucassen E C H E, Van Der Velde G, Roelofs J G M. Internal eutrophication: how it works and what to do about it—a review. Chemistry and Ecology, 2006, 22(2): 93–111

[2] Wen D H, Bai Y H, Shi Q, Li Z X, Sun Q H, Sun R H, Feng C P, Tang X Y. Bacterial diversity in the polluted water of the Dianchi Lakeshore in China. Annals of Microbiology, 2012, 62(2): 715–723

[3] Catherine Q, Susanna W, Isidora E S, Mark H, Aurélie V, Jean-François H. A review of current knowledge on toxic benthic freshwater cyanobacteria—ecology, toxin production and risk management. Water Research, 2013, 47(15): 5464–5479

[4] Tian C Y, Li B M, Liu Z D, Zhang Y H, Lu H F. Hydrothermal liquefaction for algal biorefinery: a critical review. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 38: 933–950

[5] Gouveia L. Microalgae as a Feedstock for Biofuels. London: Springer, 2011.

[6] Gupta V, Ratha S K, Sood A, Chaudhary V, Prasanna R. New insights into the biodiversity and applications of cyanobacteria (blue-green algae)-Prospects and challenges. Algal Research, 2013, 2(2): 79–97

[7] Li H, Liu Z, Zhang Y, Li B, Lu H, Duan N, Liu M, Zhu Z, Si B. Conversion efficiency and oil quality of low-lipid high-protein and high-lipid low-protein microalgae via hydrothermal liquefaction. Bioresource Technology, 2014, 154: 322–329

[8] Yu G, Zhang Y H, Schideman L, Funk T, Wang Z C. Distributions of carbon and nitrogen in the products from hydrothermal liquefaction of low-lipid microalgae. Energy & Environmental Science, 2011, 4(11): 4587–4595

[9] Biller P, Ross A B. Potential yields and properties of oil from the hydrothermal liquefaction of microalgae with different biochemical content. Bioresource Technology, 2011, 102(1): 215–225

[10] Valdez P J, Tocco V J, Savage P E. A general kinetic model for the hydrothermal liquefaction of microalgae. Bioresource Technology, 2014, 163: 123–127

[11] Richmond A. Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. Oxford: Blackwell Publishing, 2004

[12] Andersson A F, Riemann L, Bertilsson S. Pyrosequencing reveals contrasting seasonal dynamics of taxa within Baltic Sea bacterioplankton communities. The ISME Journal, 2010, 4(2): 171–181

[13] Xing W, Huang W M, Liu Y D, Li D H, Shen Y W, Li G B. Environmental mechanism of change in cyanobacterial species composition in the northeastern part of Lake Dianchi (China). Fresenius Environmental Bulletin, 2007, 16(1): 82–90

[14] Anthony R J, Ellis J T, Sathish A, Rahman A, Miller C D, Sims R C. Effect of coagulant/flocculants on bioproducts from microalgae. Bioresource Technology, 2013, 149: 65–70

[15] Sheng H, Liu H, Wang C Y, Guo H C, Liu Y, Yang Y H. Analysis of cyanobacteria bloom in the Waihai part of Dianchi Lake, China. Ecological Informatics, 2012, 10: 37–48

[16] Zhu L, Wu C Q, Yao Y J, Zhang Y J. Spatial and temporal distribution variation and meteorological factors analyzing of algal blooms based on HJ-1 satellites in Lake Dianchi, China, 2009. IEEE, 2010: 2769–2772

[17] González López C V, García M C, Fernández F G A, Bustos C S, Chisti Y, Sevilla J M F. Protein measurements of microalgal and cyanobacterial biomass. Bioresource Technology, 2010, 101(19): 7587–7591

[18] Tian C, Liu Z, Zhang Y, Li B, Cao W, Lu H, Duan N, Zhang L, Zhang T. Hydrothermal liquefaction of harvested high-ash low-lipid algal biomass from Dianchi Lake: effects of operational parameters and relations of products. Bioresource Technology, 2015, 184: 336–343

[19] Nübel U, Garcia-Pichel F, Muyzer G. PCR primers to amplify 16S rRNA genes from cyanobacteria. Applied and Environmental Microbiology, 1997, 63(8): 3327–3332

[20] Singleton D R, Jones M D, Richardson S D, Aitken M D. Pyrosequence analyses of bacterial communities during simulated in situ bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soil. Applied Microbiology and Biotechnology, 2013, 97(18): 8381–8391

[21] Sun F, Pei H Y, Hu W R, Li X Q, Ma C X, Pei R T. The cell damage of Microcystis aeruginosa in PACl coagulation and floc storage processes. Separation and Purification Technology, 2013, 115: 123–128

[22] Hu Z Q, Zheng Y, Yan F, Xiao B, Liu S M. Bio-oil production through pyrolysis of blue-green algae blooms (BGAB): product distribution and bio-oil characterization. Energy, 2013, 52: 119–125

[23] Anderson D M, Glibert P M, Burkholder J M. Harmful algal blooms and eutrophication: nutrient sources, composition, and consequences. Estuaries, 2002, 25(4): 704–726

[24] Khan F A, Ansari A A. Eutrophication: an ecological vision. Botanical Review, 2005, 71(4): 449–482

[25] Wang K, Colica G, De Philippis R, Liu Y, Li D. Biosorption of copper by cyanobacterial bloom-derived biomass harvested from the eutrophic Lake Dianchi in China. Current Microbiology, 2010, 61(4): 340–345

[26] Liu Z H, Liu X H, He B, Nie J F, Peng J Y, Zhao L. Spatio-temporal change of water chemical elements in Lake Dianchi, China. Water and Environmental Journal, 2009, 23(3): 235–244

[27] Wu L, Feng W S. Temporal heterogeneity of plankton community in Lake Dianchi and its relation to environmental factors. Journal of Freshwater Ecology, 2012, 27(2): 229–241

[28] Bao Z X. The temporal and spatial variation of aquatic phytoplankton and microcystin in Dianchi Lake and the removal of microcvstin with bacteria. Dissertation for the Master Degree. Kunming: Yunnan University, 2012 (in Chinese)

[29] Davis T W, Berry D L, Boyer G L, Gobler C J. The effects of temperature and nutrients on the growth and dynamics of toxic and non-toxic strains of Microcystis during cyanobacteria blooms. Harmful Algae, 2009, 8(5): 715–725

[30] Zhou Y, Schideman L, Yu G, Zhang Y H. A synergistic combination of algal wastewater treatment and hydrothermal biofuel production maximized by nutrient and carbon recycling. Energy & Environmental Science, 2013, 6(12): 3765–3779

[31] Xue C, Liu X, Qi C, Wei H, Song X, Liu Y, Hao B. Element geochemical characteristics of modern sediments in the Dianchi Lake, Kunming, and their environmental significance. Acta Petrologica Et Mneralogica, 2007, 26(6): 582–590 (in Chinese)

[32] Yuan Z, Taoran S, Yan Z, Tao Y. Spatial distribution and risk assessment of heavy metals in sediments from a hypertrophic plateau lake Dianchi, China. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186(2): 1219–1234

[33] Paerl H W, Fulton R S 3rd, Moisander P H, Dyble J. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria. The Scientific World Journal, 2001, 1: 76–113

[34] Takaara T, Sano D, Konno H, Omura T. Cellular proteins of Microcystis aeruginosa inhibiting coagulation with polyaluminum chloride. Water Research, 2007, 41(8): 1653–1658

[35] Huang W, Bi Y, Hu Z. Effects of fertilizer-urea on growth, photosynthetic activity and microcystins production of Microcystis aeruginosa isolated from Dianchi Lake. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2014, 92(5): 514–519

[36] De Philippis R, Colica G, Micheletti E. Exopolysaccharide-producing cyanobacteria in heavy metal removal from water: molecular basis and practical applicability of the biosorption process. Applied Microbiology and Biotechnology, 2011, 92(4): 697–708

Acknowledgements

This work was financially supported by the Chinese Universities Scientific Fund (2015SYL004). The authors thank Dianchi Algae-Water Separation Station for assisting in the harvest of algal samples,Jamison Watson (University of Illinois at Urbana-Champaign) for helpful suggestions that improved the manuscript.

Ruixia Shen, Chunyan Tian, Zhidan Liu, Yuanhui Zhang, Baoming Li, Haifeng Lu, and Na Duan declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

This article does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg