简介：与悬浮微藻培养相比，附着微藻培养用于废水处理具有生物质回收成本低、稳健性高的优点。作为一种异质系统，附着微藻生物膜深度的光合能力变化缺乏定量结论。通过溶解氧（DO）微电极检测附着微藻生物膜深度（x）上的氧浓度分布曲线（f(x)），并基于质量守恒和菲克定律建立了一个量化模型。研究发现，在生物膜中的某一深度（x），生物膜中的净光合速率与氧浓度分布曲线的二阶导数（f″(x)）呈线性关系。此外，与悬浮系统相比，附着微藻生物膜中的光合速率下降趋势相对较缓。藻类生物膜在深度为150-200μm处的光合速率仅为表层的3.60％-17.86％。此外，附着微藻的光饱和点沿着生物膜深度降低。相对于400勒克斯的光强度，生物膜深度为100-150μm和150-200μm处的微藻生物膜在5000勒克斯下的净光合速率分别增加了389％和956％，显示了随着光照增加而增加的高光合潜力。


亮点：


•首次报告了沿藻类生物膜深度的光合速率的量化变化。


•微藻生物膜中的光衰减与悬浮培养不同。


•藻类生物膜深度为150-200μm的光合速率仅为表面生物膜的3.60％-17.86％。


•在增加光照条件下，深层藻类可以恢复较高的光合作用。


•深层微藻的光饱和点相对较低。


光被认为是影响微藻光合作用的关键因素之一，但光强度过高或过低可能对微藻增殖产生负面影响。由于生物膜中的生物质密集，光或营养物质在生物膜内的分布可能不均匀，导致生物膜内不同深度的代谢类型和代谢速率不同。


DO微电极和扩散反应模型的结合已被用于估算生物膜或活性污泥颗粒内氧浓度的变化，使用微电极监测SBBR生物膜中的DO水平，并计算了细菌生物膜的氧扩散效率。它显示了与水膜中的线性分布不同的不同指数下降趋势，使用光学DO探针研究了刺激池中的氧分布，并发现池的顶部13厘米深度的氧产量占Spirulina总氧产量的90％。根据直接测量氧微型轮廓来评估光生物膜反应器中微藻生物膜中的光合作用。在现场规模的实验中，生物膜表面附近的光照部分的氧浓度约为污水中测得的三倍。先前关于氧分布和光合速率的研究已在一些生物膜或颗粒污泥中进行。然而，缺乏在微藻生物膜不同深度量化光合速率的方法。在本研究中，使用微电极测量了不同光强下微藻生物膜内不同深度的DO浓度，并建立了一个描述生物膜深度沿光合速率变化的模型，以揭示光对微藻生物膜生长的调节机制。


Unisense微电极研究系统应用


经过10分钟暗处理后，将微藻生物膜置于一定的光强下。DO微电极（OX-10-110259，UNISENSE，丹麦）以垂直方式穿透生物膜（图1），步距为10μm，使用螺旋式控制的微电极系统（Four channel host；UNISENSE，丹麦）。同时，可以获得沿生物膜深度的DO分布曲线（命名为f(x)）。电极从空气进入微藻生物膜的入口由DO浓度曲线的显著斜率变化来确认。在不同光水平（0,400,700,1000,2000,5000,8000和10,000 lx，分别）下进行了八组实验。每种光强下生物膜的光合速率均进行了三次检测。使用IBM SPSS Statistics 26中的t检验进行统计分析，p<0.05被视为显著差异。


实验结果：在这项研究中，选择了对废水处理具有广泛适应性并被广泛使用的Chlorella vulgaris作为目标微藻物种。尽管光合速率可能因微藻物种或培养条件的不同而变化，但整体上生物膜中的光合作用趋势是存在的。此外，基于微电极和模型计算量化生物膜中光合速率的方法对于不同微生物是通用的。然而，需要对比较不同微藻生物膜的光合速率以及评估不同藻类物种在生物膜中胞外聚合物物质（EPS）分泌对光合速率定量结果的影响进行进一步研究。

图1.微藻生物膜中光合速率的分析。

图2.悬浮和附着藻类培养系统中光合作用的垂直减少趋势。

图3.不同深度下一系列光强下的光合速率。


结论：在这项研究中，建立了一个模型，用于量化附着微藻生物膜中的光合速率，并发现附着微藻的光利用模式与悬浮微藻根本不同。此外，深度为150-200μm的微藻生物膜的光合速率远低于表面微藻，但在较低的光照强度下培养的内部微藻在增加光照强度时可以恢复更高的光合能力。然而，由于随着时间的推移对较暗条件的适应，深层微藻的光饱和点较表层微藻更低。