研究簡介:隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長，對水資源的需求不斷增加。廢水回收似乎是緩解該問題的另一種方法。基于微藻的廢水處理由于其附加的生物資源轉(zhuǎn)化和碳捕獲利用而引起了研究人員的廣泛關(guān)注。目前懸浮培養(yǎng)模式作為常規(guī)微藻培養(yǎng)方法已被廣泛使用，但由于微藻密度低、尺寸小，從水中回收生物質(zhì)是能源密集型且成本高。光被認(rèn)為是影響微藻光合作用的關(guān)鍵因素之一，而光強(qiáng)度過高或過低都可能對微藻增殖產(chǎn)生負(fù)面影響。由于生物膜中致密的生物質(zhì)可能存在傳輸阻力，生物膜內(nèi)部的光或營養(yǎng)物質(zhì)可能分布不均勻，導(dǎo)致生物膜內(nèi)不同深度的代謝類型和代謝速率不同。DO微電極和擴(kuò)散反應(yīng)模型的結(jié)合已用于估計生物膜或活性污泥顆粒微環(huán)境內(nèi)的氧濃度變化。近年來有研究人員使用微電極監(jiān)測SBBR生物膜中的DO水平并計算細(xì)菌生物膜的氧擴(kuò)散效率。它表現(xiàn)出與水膜中線性分布不同的指數(shù)下降趨勢。也有相關(guān)研究人員基于直接測量氧微剖面的空間梯度，評估了光生物膜反應(yīng)器中培養(yǎng)的微藻生物膜的光合作用。在現(xiàn)場規(guī)模的實驗中，生物膜表面附近的照明部分的氧氣濃度大約是廢水中測量的氧氣濃度的三倍。先前關(guān)于氧氣分布和光合速率的工作已經(jīng)在一些生物膜或顆粒污泥中進(jìn)行。然而缺乏量化微藻生物膜內(nèi)不同深度的光合速率的方法。本研究通過微電極檢測不同光強(qiáng)下生物膜內(nèi)部不同深度的DO濃度，進(jìn)一步建立描述微藻生物膜光合速率沿深度變化的模型，揭示微藻生物膜生長的調(diào)控機(jī)制。

Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

使用相對較厚的生物膜已準(zhǔn)備好進(jìn)行原位光合作用檢測。暗處理10分鐘后，將微藻生物膜置于一定的光照強(qiáng)度下。DO微電極（OX-10，UNISENSE）通過自動控制馬達(dá)的微電極系統(tǒng)（四通道主機(jī)；UNISENSE，丹麥）以10μm的步距垂直穿透生物膜。同時可以獲得沿生物膜深度的DO分布曲線（命名為f(x)）。DO濃度曲線的顯著斜率變化證實了電極從空氣進(jìn)入微藻生物膜。在不同光照水平（分別為0、400、700、1000、2000、5000、8000和10，000 lx）下進(jìn)行了八組實驗。

實驗結(jié)果

建立了一個模型來量化附著微藻生物膜的光合速率，發(fā)現(xiàn)附著微藻的光利用模式與懸浮微藻的光利用模式有根本不同。此外150-200μm深度的微藻生物膜的光合速率遠(yuǎn)低于表面微藻，但低光強(qiáng)度下培養(yǎng)的內(nèi)部微藻可以隨著光強(qiáng)度的增加恢復(fù)更高的光合能力。然而由于隨著時間的推移對較暗條件的適應(yīng)，深層微藻的光飽和點低于表面微藻。

圖1、微藻生物膜光合速率分析。從圖中可以看出DO濃度曲線的顯著斜率變化證實了微電極從空氣進(jìn)入微藻生物膜的過程。

圖2、懸浮和附著藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中光合作用的垂直下降趨勢。

圖3、一系列光強(qiáng)下不同深度的光合速率。在相同光照強(qiáng)度下，隨著深度的增加，光合速率逐漸降低。150~200μm深度的微藻生物膜幾乎沒有光合活性，光合速率水平僅為表層的3.60%~17.86%。

圖4、利用溶解氧（DO）微電極檢測氧濃度沿附著微藻生物膜深度的分布曲線及微藻的光合速率的測試。

結(jié)論與展望

本論文研究首次報道了藻類生物膜深度的量化光合速率變化，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)微藻生物膜中的光衰減與懸浮培養(yǎng)不同。通過與懸浮微藻培養(yǎng)相比，附著式微藻培養(yǎng)用于廢水處理具有生物質(zhì)回收成本低和魯棒性高的優(yōu)點。作為一個異質(zhì)系統(tǒng)，光合能力隨生物膜深度的變化缺乏定量的結(jié)論。本論文研究人員很好的利用溶解氧（DO）微電極（unisense微剖面分析系統(tǒng)）檢測氧濃度沿附著微藻生物膜深度的分布曲線，并基于質(zhì)量守恒定律和菲克定律建立量化模型。研究結(jié)果表明，生物膜中一定深度(x)的凈光合速率與氧濃度分布曲線(f″(x))的二階導(dǎo)數(shù)呈線性關(guān)系。此外與懸浮系統(tǒng)相比，附著微藻生物膜的光合速率下降趨勢相對緩慢。藻類生物膜150~200μm深度的光合速率僅為表層光合速率的3.60%~17.86%。此外附著的微藻的光飽和點沿著生物膜的深度降低。與400 lx光強(qiáng)相比，在5000 lx光強(qiáng)下，100~150μm和150~200μm深度的微藻生物膜凈光合速率分別增加了389%和956%，表現(xiàn)出隨著光照強(qiáng)度的增加而具有較高的光合作用潛力。