研究簡(jiǎn)介:隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長(cháng)，對水資源的需求不斷增加。廢水回收似乎是緩解該問(wèn)題的另一種方法?；谖⒃宓膹U水處理由于其附加的生物資源轉化和碳捕獲利用而引起了研究人員的廣泛關(guān)注。目前懸浮培養模式作為常規微藻培養方法已被廣泛使用，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。光被認為是影響微藻光合作用的關(guān)鍵因素之一，而光強度過(guò)高或過(guò)低都可能對微藻增殖產(chǎn)生負面影響。由于生物膜中致密的生物質(zhì)可能存在傳輸阻力，生物膜內部的光或營(yíng)養物質(zhì)可能分布不均勻，導致生物膜內不同深度的代謝類(lèi)型和代謝速率不同。DO微電極和擴散反應模型的結合已用于估計生物膜或活性污泥顆粒微環(huán)境內的氧濃度變化。近年來(lái)有研究人員使用微電極監測SBBR生物膜中的DO水平并計算細菌生物膜的氧擴散效率。它表現出與水膜中線(xiàn)性分布不同的指數下降趨勢。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器中培養的微藻生物膜的光合作用。在現場(chǎng)規模的實(shí)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不同深度的光合速率的方法。本研究通過(guò)微電極檢測不同光強下生物膜內部不同深度的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(cháng)的調控機制。

Unisense微電極研究系統的應用

使用相對較厚的生物膜已準備好進(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度下。DO微電極（OX-10，UNISENSE）通過(guò)自動(dòng)控制馬達的微電極系統（四通道主機；UNISENSE，丹麥）以10μm的步距垂直穿透生物膜。同時(shí)可以獲得沿生物膜深度的DO分布曲線(xiàn)（命名為f(x)）。DO濃度曲線(xiàn)的顯著(zhù)斜率變化證實(shí)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(shí)驗。

實(shí)驗結果

建立了一個(gè)模型來(lái)量化附著(zhù)微藻生物膜的光合速率，發(fā)現附著(zhù)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低于表面微藻，但低光強度下培養的內部微藻可以隨著(zhù)光強度的增加恢復更高的光合能力。然而由于隨著(zhù)時(shí)間的推移對較暗條件的適應，深層微藻的光飽和點(diǎn)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(xiàn)的顯著(zhù)斜率變化證實(shí)了微電極從空氣進(jìn)入微藻生物膜的過(guò)程。

圖2、懸浮和附著(zhù)藻類(lèi)培養系統中光合作用的垂直下降趨勢。

圖3、一系列光強下不同深度的光合速率。在相同光照強度下，隨著(zhù)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(méi)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(zhù)微藻生物膜深度的分布曲線(xiàn)及微藻的光合速率的測試。

結論與展望

本論文研究首次報道了藻類(lèi)生物膜深度的量化光合速率變化，相關(guān)研究發(fā)現微藻生物膜中的光衰減與懸浮培養不同。通過(guò)與懸浮微藻培養相比，附著(zhù)式微藻培養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(diǎn)。作為一個(gè)異質(zhì)系統，光合能力隨生物膜深度的變化缺乏定量的結論。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）檢測氧濃度沿附著(zhù)微藻生物膜深度的分布曲線(xiàn)，并基于質(zhì)量守恒定律和菲克定律建立量化模型。研究結果表明，生物膜中一定深度(x)的凈光合速率與氧濃度分布曲線(xiàn)(f″(x))的二階導數呈線(xiàn)性關(guān)系。此外與懸浮系統相比，附著(zhù)微藻生物膜的光合速率下降趨勢相對緩慢。藻類(lèi)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(zhù)的微藻的光飽和點(diǎn)沿著(zhù)生物膜的深度降低。與400 lx光強相比，在5000 lx光強下，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%，表現出隨著(zhù)光照強度的增加而具有較高的光合作用潛力。