簡介：與懸浮微藻培養相比，附著微藻培養用于廢水處理具有生物質回收成本低、穩健性高的優點。作為一種異質系統，附著微藻生物膜深度的光合能力變化缺乏定量結論。通過溶解氧（DO）微電極檢測附著微藻生物膜深度（x）上的氧濃度分布曲線（f(x)），并基于質量守恒和菲克定律建立了一個量化模型。研究發現，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數（f″(x)）呈線性關系。此外，與懸浮系統相比，附著微藻生物膜中的光合速率下降趨勢相對較緩。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沿著生物膜深度降低。相對于400勒克斯的光強度，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：

?首次報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，深層藻類可以恢復較高的光合作用。

?深層微藻的光飽和點相對較低。

光被認為是影響微藻光合作用的關鍵因素之一，但光強度過高或過低可能對微藻增殖產生負面影響。由于生物膜中的生物質密集，光或營養物質在生物膜內的分布可能不均勻，導致生物膜內不同深度的代謝類型和代謝速率不同。

DO微電極和擴散反應模型的結合已被用于估算生物膜或活性污泥顆粒內氧濃度的變化，使用微電極監測SBBR生物膜中的DO水平，并計算了細菌生物膜的氧擴散效率。它顯示了與水膜中的線性分布不同的不同指數下降趨勢，使用光學DO探針研究了刺激池中的氧分布，并發現池的頂部13厘米深度的氧產量占Spirulina總氧產量的90％。根據直接測量氧微型輪廓來評估光生物膜反應器中微藻生物膜中的光合作用。在現場規模的實驗中，生物膜表面附近的光照部分的氧濃度約為污水中測得的三倍。先前關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，使用微電極測量了不同光強下微藻生物膜內不同深度的DO濃度，并建立了一個描述生物膜深度沿光合速率變化的模型，以揭示光對微藻生物膜生長的調節機制。

Unisense微電極研究系統應用

經過10分鐘暗處理后，將微藻生物膜置于一定的光強下。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（Four channel host；UNISENSE，丹麥）。同時，可以獲得沿生物膜深度的DO分布曲線（命名為f(x)）。電極從空氣進入微藻生物膜的入口由DO濃度曲線的顯著斜率變化來確認。在不同光水平（0,400,700,1000,2000,5000,8000和10,000 lx，分別）下進行了八組實驗。每種光強下生物膜的光合速率均進行了三次檢測。使用IBM SPSS Statistics 26中的t檢驗進行統計分析，p<0.05被視為顯著差異。

實驗結果：在這項研究中，選擇了對廢水處理具有廣泛適應性并被廣泛使用的Chlorella vulgaris作為目標微藻物種。盡管光合速率可能因微藻物種或培養條件的不同而變化，但整體上生物膜中的光合作用趨勢是存在的。此外，基于微電極和模型計算量化生物膜中光合速率的方法對于不同微生物是通用的。然而，需要對比較不同微藻生物膜的光合速率以及評估不同藻類物種在生物膜中胞外聚合物物質（EPS）分泌對光合速率定量結果的影響進行進一步研究。

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系統中光合作用的垂直減少趨勢。

圖3.不同深度下一系列光強下的光合速率。

結論：在這項研究中，建立了一個模型，用于量化附著微藻生物膜中的光合速率，并發現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低于表面微藻，但在較低的光照強度下培養的內部微藻在增加光照強度時可以恢復更高的光合能力。然而，由于隨著時間的推移對較暗條件的適應，深層微藻的光飽和點較表層微藻更低。