研究簡介:面對全球日益嚴峻的水資源短缺問題，海水淡化已成為沿海地區的重要解決方案。然而，主流技術如反滲透（RO）存在能耗高、碳排放及濃鹽水排放破壞生態等弊端。因此，開發低能耗、環境友好的淡化技術迫在眉睫。生物淡化（Biodesalination）利用藻類或藍細菌等微生物吸收鹽分，展現出巨大潛力。但傳統的懸浮藻類培養法存在生物質收獲難、能耗高、易使水體變色等瓶頸。為克服這些局限，本研究創新性地采用固定化技術，將微藻細胞封裝于海藻酸鈉凝膠珠中，并首次系統性地評估了四種不同淡水微藻菌株對真實海水的淡化性能。

本研究旨在探究固定化技術能否提升藻類在真實海水環境中的耐受性與脫鹽效率，并為該技術的實際應用提供理論依據和數據支撐。研究選取了四種微藻菌株（Euglena deses,Chlamydomonas reinhardtii,Trichormus variabilis,Scenedesmus obliquus），以三種不同生物質/海藻酸鈉比例（1:1,1:2,1:3）制成固定化凝膠珠，置于無額外營養的真實海水中進行為期15天的實驗。研究通過監測pH值、氯離子（Cl?）濃度、葉綠素含量、流式細胞術（FCM）細胞計數及氧微傳感器等多種手段進行了全面分析。研究表明，固定化技術是一種能有效提升微藻在真實海水中生存和脫鹽能力的可行策略。其最大優勢在于簡化了生物質收獲流程，降低了能耗。盡管目前存在珠體制備耗時、珠體壽命有限、處理時間較長等挑戰，但生物淡化作為一種低碳足跡的預處理工藝，與RO等現有技術耦合應用前景廣闊。未來研究可聚焦于優化固定化材料、改進珠體特性以增強光穿透和減少泄漏，并將該工藝在連續流反應器中進行放大試驗，以期最終實現其工業化應用，為可持續海水淡化提供一條新的路徑。

Unisense微電極分析系統的應用

Unisense OX-50氧微傳感器，用于深入探究固定化藻珠內部的微環境特性，從而揭示藻類在其中的生存狀態和生理活動。實驗過程中Unisense氧微傳感器。該設備的尖端直徑僅為50微米（μm），能夠以極高的空間分辨率（10μm間隔）刺入藻珠內部，直接測量不同深度下的溶解氧濃度。首先從每種藻株表現最佳的實驗組中隨機選取一個藻將微傳感器的尖端從珠體表面逐步向中心推進，在每個預設深度（0,10,20,30,40,50μm）停留并穩定300秒后，記錄該點的氧氣濃度值。將整個實驗期間（15天）獲得的深度剖面數據進行平均，繪制出每種藻株的氧氣濃度深度分布圖。

實驗結論

總結了固定化技術用于生物淡化的優勢（如提高藻類耐鹽性、簡化生物質收獲）和當前研究的局限性（如珠體制備耗時、珠體壽命有限、處理時間長所需占地面積大）。展望了生物淡化作為低能耗、低碳足跡的預處理工藝與現有淡化技術（如RO）結合的應用潛力，以及藻類生物質的后續利用價值（如生物燃料、色素等）。固定化生物淡化技術最具潛力的應用方向是作為一種低能耗的預處理工藝，與主流技術（如反滲透RO）組成混合系統。通過生物預處理降低進水鹽度，可以減輕后續RO工藝的負荷，從而降低整體能耗和運營成本，形成一種可持續的海水淡化方案。

圖1、pH值變化趨勢。所有研究菌株在不同比例（即1:1,1:2,1:3）下，固定化反應器中pH值的影響。（a）E.deses,（b）S.obliquus,（c）T.variabilis,（d）C.reinhardtii。圖中顯示了整個實驗期間（15天）反應器內pH值的變化情況。它旨在說明固定化藻類在真實海水中生長時對水體酸堿度的影響。與懸浮生長藻類通常導致pH顯著升高不同，此圖中所有菌株的pH值都相對穩定且低于8.2，這揭示了固定化技術可能改變了藻類的生理活動或其與環境的作用方式。

圖2、氯離子去除率。各菌株在不同微藻與海藻酸鈉混合比例（1:1,1:2,1:3）下的氯離子減少情況（C/Co）。（a）E.deses,（b）S.obliquus,（c）C.reinhardtii,（d）T.variabilis。圖中展示了生物淡化的效能。C/Co代表當前氯離子濃度與初始濃度的比值，其下降趨勢直接反映了脫鹽效果。該圖用于比較不同菌株及不同固定化比例對氯離子的去除能力，是判斷哪種組合最優的關鍵依據。

圖3、氯離子消除容量。實驗中研究的菌株（Euglena deses,Scenedesmus obliquus,Chlamydomonas reinhardtii,Trichormus variabilis）及其混合比例在特定時間點（a）第1天，（b）第7天，（c）第15天的氯離子消除容量。該圖通過對比不同時間點（初期、中期、末期）的消除容量，揭示了脫鹽速率隨時間的變化趨勢，有助于理解脫鹽過程的動態特征。

圖4、光線在藻珠內部穿透的概念圖，并展示了為研究菌株進行氧氣深度剖面分析時氧氣傳感器讀數的示意圖。

圖5、氧氣深度剖面結果圖。呈現了Unisense微傳感器對四種菌株的固定化藻珠進行探測后得到的定量結果。圖表清晰地顯示，對于三種菌株（S.obliquus,C.reinhardtii,T.variabilis），氧氣濃度隨著測量深度的增加而顯著降低。

結論與展望

本論文系統評估了四種固定化微藻菌株在真實海水中的生物淡化（Biodesalination）性能。研究證實，固定化技術能有效增強淡水微藻在真實海水環境中的耐受性。在無額外營養的條件下，所有測試菌株均能在固定化凝膠珠中存活并保持活性長達15天。本研究首次采用固定化方法，使用四種不同的微藻菌株）對真實海水進行生物淡化。研究直接將比例為1:1、1:2和1:3（生物質：海藻酸鈉）的固定化凝膠珠置于營養匱乏的真實海水中，并連續15天測量氯離子的減少量。其他研究的參數包括pH值、葉綠素、絕對細胞計數和氧微傳感器。在所有菌株中，Trichormus variabilis(1:1)在第15天測得的葉綠素含量最高，為234±0.43 mg·L?1。通過流式細胞儀分析測得細胞泄漏，約有6.14 x 10?cells·mL?1從凝膠珠中釋放到海水中。在氧微傳感器測試中，氧氣含量隨著深度增加而降低，表明藻類生長主要集中在接近珠體的表面區域。固定化技術提高了藻類的耐鹽能力，從而延長了細胞壽命。

本研究不僅驗證了固定化微藻用于真實海水淡化的可行性，更重要的是深入揭示了其內在機理和局限性，為未來優化菌株、改進固定化材料與反應器設計，以及推動該技術走向實際應用提供了重要的理論依據和實踐指導。本研究創新性地使用了Unisense OX-50氧微傳感器，作為一種關鍵的機理研究工具，用于深入探究固定化藻珠內部的微環境特性，從而揭示藻類在其中的生存狀態和生理活動。研究人員通過unisense微電極揭示內部氧氣梯度的存在，它深刻闡明了固定化藻類系統的運行機理、指出了其當前效率的制約因素，并為未來的技術升級指明了清晰的路徑，是本研究從現象描述深入到機理探討的關鍵支撐。