簡(jiǎn)介：與懸浮微藻培養(yǎng)相比，附著微藻培養(yǎng)用于廢水處理具有生物質(zhì)回收成本低、穩(wěn)健性高的優(yōu)點(diǎn)。作為一種異質(zhì)系統(tǒng)，附著微藻生物膜深度的光合能力變化缺乏定量結(jié)論。通過(guò)溶解氧（DO）微電極檢測(cè)附著微藻生物膜深度（x）上的氧濃度分布曲線（f(x)），并基于質(zhì)量守恒和菲克定律建立了一個(gè)量化模型。研究發(fā)現(xiàn)，在生物膜中的某一深度（x），生物膜中的凈光合速率與氧濃度分布曲線的二階導(dǎo)數(shù)（f″(x)）呈線性關(guān)系。此外，與懸浮系統(tǒng)相比，附著微藻生物膜中的光合速率下降趨勢(shì)相對(duì)較緩。藻類生物膜在深度為150-200μm處的光合速率僅為表層的3.60％-17.86％。此外，附著微藻的光飽和點(diǎn)沿著生物膜深度降低。相對(duì)于400勒克斯的光強(qiáng)度，生物膜深度為100-150μm和150-200μm處的微藻生物膜在5000勒克斯下的凈光合速率分別增加了389％和956％，顯示了隨著光照增加而增加的高光合潛力。

亮點(diǎn)：

?首次報(bào)告了沿藻類生物膜深度的光合速率的量化變化。

?微藻生物膜中的光衰減與懸浮培養(yǎng)不同。

?藻類生物膜深度為150-200μm的光合速率僅為表面生物膜的3.60％-17.86％。

?在增加光照條件下，深層藻類可以恢復(fù)較高的光合作用。

?深層微藻的光飽和點(diǎn)相對(duì)較低。

光被認(rèn)為是影響微藻光合作用的關(guān)鍵因素之一，但光強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低可能對(duì)微藻增殖產(chǎn)生負(fù)面影響。由于生物膜中的生物質(zhì)密集，光或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物膜內(nèi)的分布可能不均勻，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)合已被用于估算生物膜或活性污泥顆粒內(nèi)氧濃度的變化，使用微電極監(jiān)測(cè)SBBR生物膜中的DO水平，并計(jì)算了細(xì)菌生物膜的氧擴(kuò)散效率。它顯示了與水膜中的線性分布不同的不同指數(shù)下降趨勢(shì)，使用光學(xué)DO探針研究了刺激池中的氧分布，并發(fā)現(xiàn)池的頂部13厘米深度的氧產(chǎn)量占Spirulina總氧產(chǎn)量的90％。根據(jù)直接測(cè)量氧微型輪廓來(lái)評(píng)估光生物膜反應(yīng)器中微藻生物膜中的光合作用。在現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)中，生物膜表面附近的光照部分的氧濃度約為污水中測(cè)得的三倍。先前關(guān)于氧分布和光合速率的研究已在一些生物膜或顆粒污泥中進(jìn)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，使用微電極測(cè)量了不同光強(qiáng)下微藻生物膜內(nèi)不同深度的DO濃度，并建立了一個(gè)描述生物膜深度沿光合速率變化的模型，以揭示光對(duì)微藻生物膜生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)機(jī)制。

Unisense微電極研究系統(tǒng)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)10分鐘暗處理后，將微藻生物膜置于一定的光強(qiáng)下。DO微電極（OX-10-110259，UNISENSE，丹麥）以垂直方式穿透生物膜（圖1），步距為10μm，使用螺旋式控制的微電極系統(tǒng)（Four channel host；UNISENSE，丹麥）。同時(shí)，可以獲得沿生物膜深度的DO分布曲線（命名為f(x)）。電極從空氣進(jìn)入微藻生物膜的入口由DO濃度曲線的顯著斜率變化來(lái)確認(rèn)。在不同光水平（0,400,700,1000,2000,5000,8000和10,000 lx，分別）下進(jìn)行了八組實(shí)驗(yàn)。每種光強(qiáng)下生物膜的光合速率均進(jìn)行了三次檢測(cè)。使用IBM SPSS Statistics 26中的t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，p<0.05被視為顯著差異。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在這項(xiàng)研究中，選擇了對(duì)廢水處理具有廣泛適應(yīng)性并被廣泛使用的Chlorella vulgaris作為目標(biāo)微藻物種。盡管光合速率可能因微藻物種或培養(yǎng)條件的不同而變化，但整體上生物膜中的光合作用趨勢(shì)是存在的。此外，基于微電極和模型計(jì)算量化生物膜中光合速率的方法對(duì)于不同微生物是通用的。然而，需要對(duì)比較不同微藻生物膜的光合速率以及評(píng)估不同藻類物種在生物膜中胞外聚合物物質(zhì)（EPS）分泌對(duì)光合速率定量結(jié)果的影響進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖1.微藻生物膜中光合速率的分析。

圖2.懸浮和附著藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中光合作用的垂直減少趨勢(shì)。

圖3.不同深度下一系列光強(qiáng)下的光合速率。

結(jié)論：在這項(xiàng)研究中，建立了一個(gè)模型，用于量化附著微藻生物膜中的光合速率，并發(fā)現(xiàn)附著微藻的光利用模式與懸浮微藻根本不同。此外，深度為150-200μm的微藻生物膜的光合速率遠(yuǎn)低于表面微藻，但在較低的光照強(qiáng)度下培養(yǎng)的內(nèi)部微藻在增加光照強(qiáng)度時(shí)可以恢復(fù)更高的光合能力。然而，由于隨著時(shí)間的推移對(duì)較暗條件的適應(yīng)，深層微藻的光飽和點(diǎn)較表層微藻更低。