微电极检测不同光强下生物膜内部不同深度的DO浓度，揭示微藻生物膜生长的调控机制

研究简介:随着经济的发展和人口的增长，对水资源的需求不断增加。废水回收似乎是缓解该问题的另一种方法。基于微藻的废水处理由于其附加的生物资源转化和碳捕获利用而引起了研究人员的广泛关注。目前悬浮培养模式作为常规微藻培养方法已被广泛使用，但由于微藻密度低、尺寸小，从水中回收生物质是能源密集型且成本高。光被认为是影响微藻光合作用的关键因素之一，而光强度过高或过低都可能对微藻增殖产生负面影响。由于生物膜中致密的生物质可能存在传输阻力，生物膜内部的光或营养物质可能分布不均匀，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用于估计生物膜或活性污泥颗粒微环境内的氧浓度变化。近年来有研究人员使用微电极监测SBBR生物膜中的DO水平并计算细菌生物膜的氧扩散效率。它表现出与水膜中线性分布不同的指数下降趋势。也有相关研究人员基于直接测量氧微剖面的空间梯度，评估了光生物膜反应器中培养的微藻生物膜的光合作用。在现场规模的实验中，生物膜表面附近的照明部分的氧气浓度大约是废水中测量的氧气浓度的三倍。先前关于氧气分布和光合速率的工作已经在一些生物膜或颗粒污泥中进行。然而缺乏量化微藻生物膜内不同深度的光合速率的方法。本研究通过微电极检测不同光强下生物膜内部不同深度的DO浓度，进一步建立描述微藻生物膜光合速率沿深度变化的模型，揭示微藻生物膜生长的调控机制。

Unisense微电极研究系统的应用

使用相对较厚的生物膜已准备好进行原位光合作用检测。暗处理10分钟后，将微藻生物膜置于一定的光照强度下。DO微电极（OX-10，UNISENSE）通过自动控制马达的微电极系统（四通道主机；UNISENSE，丹麦）以10μm的步距垂直穿透生物膜。同时可以获得沿生物膜深度的DO分布曲线（命名为f(x)）。DO浓度曲线的显着斜率变化证实了电极从空气进入微藻生物膜。在不同光照水平（分别为0、400、700、1000、2000、5000、8000和10，000 lx）下进行了八组实验。

实验结果

建立了一个模型来量化附着微藻生物膜的光合速率，发现附着微藻的光利用模式与悬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远低于表面微藻，但低光强度下培养的内部微藻可以随着光强度的增加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低于表面微藻。

图1、微藻生物膜光合速率分析。从图中可以看出DO浓度曲线的显着斜率变化证实了微电极从空气进入微藻生物膜的过程。

图2、悬浮和附着藻类培养系统中光合作用的垂直下降趋势。

图3、一系列光强下不同深度的光合速率。在相同光照强度下，随着深度的增加，光合速率逐渐降低。150~200μm深度的微藻生物膜几乎没有光合活性，光合速率水平仅为表层的3.60%~17.86%。

图4、利用溶解氧（DO）微电极检测氧浓度沿附着微藻生物膜深度的分布曲线及微藻的光合速率的测试。

结论与展望

本论文研究首次报道了藻类生物膜深度的量化光合速率变化，相关研究发现微藻生物膜中的光衰减与悬浮培养不同。通过与悬浮微藻培养相比，附着式微藻培养用于废水处理具有生物质回收成本低和鲁棒性高的优点。作为一个异质系统，光合能力随生物膜深度的变化缺乏定量的结论。本论文研究人员很好的利用溶解氧（DO）微电极（unisense微剖面分析系统）检测氧浓度沿附着微藻生物膜深度的分布曲线，并基于质量守恒定律和菲克定律建立量化模型。研究结果表明，生物膜中一定深度(x)的净光合速率与氧浓度分布曲线(f″(x))的二阶导数呈线性关系。此外与悬浮系统相比，附着微藻生物膜的光合速率下降趋势相对缓慢。藻类生物膜150~200μm深度的光合速率仅为表层光合速率的3.60%~17.86%。此外附着的微藻的光饱和点沿着生物膜的深度降低。与400 lx光强相比，在5000 lx光强下，100~150μm和150~200μm深度的微藻生物膜净光合速率分别增加了389%和956%，表现出随着光照强度的增加而具有较高的光合作用潜力。