Quantified trend of photosynthetic rate along the depth of microalgae biofilm

光合速率沿微藻生物膜深度的量化趨勢

來源：Science of the Total Environment 876 (2023) 162801

 

1. 摘要核心內容

 

研究對象：附著培養的微藻生物膜（Chlorella vulgaris）內部光合速率的垂直分布規律。

核心發現：

首創量化方法：基于溶解氧（DO）微電極測量氧濃度梯度 f(x)，構建模型 v=?k?f′′(x) 量化生物膜不同深度的凈光合速率（圖1，公式3-2）。

光衰減差異：生物膜內光合速率呈線性衰減（圖2），而懸浮系統為指數衰減（公式2-1, 2-2），因生物膜空隙含氣態氧，光傳輸效率更高。

深層光合潛力：150–200 μm深處光合速率僅為表層的3.60–17.86%，但5000 lx強光下可提升389–956%（圖3）。

光適應機制：深層微藻光飽和點降低（100–150 μm層：2000 lx；表層：8000 lx），適應低光環境（圖3）。

 

 

 

 

 

2. 研究目的

 

量化生物膜光合梯度：解決附著培養系統中光梯度影響光合效率的關鍵問題。

對比系統差異：揭示附著vs.懸浮培養的光傳輸機制差異。

挖掘深層藻潛力：評估深層微藻在強化光照下的光合恢復能力。

 

3. 研究思路

 

材料準備：小球藻生物膜培養于濾膜（24天，300 lx），分層厚度50 μm（圖1）。

微電極測量：Unisense DO微電極（OX-10）以10 μm步進掃描，獲取8組光強（0–10,000 lx）下的 f(x) 曲線（圖1）。

模型構建：基于Fick擴散定律和氧質量守恒，推導 v 與 f′′(x) 的線性關系（公式3-2）。

對比驗證：對比懸浮系統光衰減模型（Steele模型，公式2-2）。

數據分析：分層計算光合速率，統計顯著性（t-test, p<0.05）。

 

4. 測量數據及意義

關鍵數據與來源

數據類別 來源圖表 研究意義

DO分布曲線 f(x) 圖1 微電極直接測量生物膜內部氧梯度，為模型提供輸入數據。

光合速率垂直分布 圖2 附著系統線性衰減（斜率-0.15）vs.懸浮系統指數衰減（k=0.25 m?1），證明生物膜光利用更高效。

分層光合速率（光強響應） 圖3 150–200 μm層光合速率僅表層3.6–17.8%，但5000 lx下提升近10倍，揭示深層藻資源潛力。

光飽和點變化 圖3 深層微藻光飽和點降低（100–150 μm: 2000 lx；0–50 μm: 8000 lx），表明其低光適應性進化。

 

 

 

5. 核心結論

 

光傳輸機制革新：生物膜因含氣態空隙，光衰減更緩慢（線性），區別于懸浮系統的指數衰減（圖2）。

深層光合潛力：強光（5000 lx）可激活深層微藻（100–200 μm）光合活性，速率提升最高956%（圖3b）。

光適應策略：深層微藻下調光飽和點以適應低光，限制強光下的光合效率（圖3a）。

模型普適性：v=?k?f′′(x) 為生物膜代謝研究提供通用量化工具。

 

6. Unisense微電極數據的深度解讀

測量方法與結果

 

技術參數：

微電極類型：OX-10（Unisense, Denmark），尖端直徑10 μm。

掃描精度：10 μm步進，垂直穿透生物膜（圖1）。

校準：空氣飽和水（21 kPa）與無氧溶液兩點校準。

關鍵結果：

氧梯度曲線：測得 f(x) 呈S型（圖1），表明生物膜表層（0–50 μm）為高氧光合活性區。

二階導計算：f′′(x) 峰值對應光合速率最大值（公式3-2）。

強光響應：5000 lx下，150–200 μm層 f(x) 斜率增大，反映氧產量激增（圖3b）。

 

研究意義

 

空間分辨率突破：10 μm級精度揭示生物膜內部微尺度代謝異質性（傳統方法無法實現）。

動態過程捕捉：實時監測光強變化下的氧重分布（如400 lx → 5000 lx，圖3b），解析光適應動力學。

機制驗證：通過 f′′(x) 計算直接驗證光合抑制假說（10,000 lx下表層 v 下降，圖3a）。

應用導向：指導生物膜反應器設計——優化光分布（如梯度光照），最大化深層藻產能。

 

總結

 

本研究通過Unisense微電極量化了微藻生物膜光合速率的垂直分布，首次建立 v 與 f′′(x) 的數學模型。結論揭示：生物膜內光衰減更平緩，深層微藻具巨大光合潛力；Unisense數據不僅驗證了光適應理論，更為生物膜反應器的光調控提供了高精度設計依據。 未來可拓展至不同藻種/EPS分泌對光傳輸的影響研究。