研究解析微藻生物膜貼壁培養的光碳傳輸與生長機制

　　生物膜貼壁培養具有高光效、高產率、易采收和高效節水的巨大優勢，是突破微藻生產效率和成本瓶頸的變革性培養技術之一，近十年來受到國內外廣泛關注。不同于傳統的微藻開放池和光反應器懸浮培養，人們對微藻生物膜的光碳傳輸和生長機制一直不清楚。光和溶解性無機碳在微藻生物膜內如何傳輸？如何衰減？能穿透多深？光合作用在哪里發生？生物膜如何增厚？環境因子如何控制生物膜生長？近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員劉天中帶領的微藻生物技術研究組等利用自動元胞機模擬技術結合實驗研究，系統解析了不同培養條件與CO2補碳模式下微藻生物膜內的光和溶解碳的傳遞過程，揭示了生物膜內光碳分布特征、表面形貌形成和生物膜增長機制。研究結果為微藻生物膜貼壁培養反應器的優化設計和培養過程強化奠定了理論基礎。相關成果于近日發表在Chemical Engineering Journal上。

　　微藻懸浮培養下，藻細胞可以借助液體循環流動實現營養物質的混合及在明暗區穿梭，但在生物膜內微藻細胞位置固定，光只能通過細胞透射和胞間折射傳輸，碳則主要通過胞間滲流擴散實現傳輸。研究表現，微藻生物膜有很強的光傳輸阻力，光最大穿透深度只有30-70 um, 因此透光深度是制約微藻生物膜生長的最主要因素。由于培養基滲流作用，碳的傳遞阻力不大，碳分布較為充分。微藻生物膜可分為“光合生長區”和“休眠區”，光合作用只發生在生物膜上部的40-70 um厚的“光合生長區”內，細胞不斷分裂—插入—成熟長大—再分裂，整個過程不斷抬升“光合生長區”并使生物膜增厚。生物膜厚度增大最終會導致膜表面附近碳濃度降低而限制繼續生長。研究提出了提高光強、增加培養基碳濃度、及時采收，以及雙向補碳的微藻生物膜培養強化策略。

　　微藻生物技術研究組長期致力于微藻高效培養技術的研究，自2013年提出微藻生物膜培養的方法和原理以來， 陸續在該技術領域取得一系列進展， 系統揭示了微藻生物膜培養碳氮調控油脂合成機制、光自適應機制、粘附成膜機制，建立了基于光稀釋的多表面反應器設計新原理、工業貼壁介質構造和CO2高效補碳技術，在青島平度和內蒙古自治區鄂爾多斯建立了螺旋藻貼壁培養固定CO2中試系統。上述研究為利用微藻生物膜貼壁培養技術實現高效固碳與生物質高效生產提供了重要工藝理論與技術支撐。