4.4. 營養鹽去除效率

與處理組相比，對照組中更大的營養鹽去除很可能是由于顯著較高的日間中位pH下發生的物理化學過程，而不是更高的微藻同化作用。當培養物pH > 9時（如我們的對照組），氨揮發和磷酸鹽沉淀等過程會對HRAPs中的營養鹽去除產生重大影響。氨揮發可貢獻高達廢水HRAPs中DIN去除的32%。CO?添加可能通過物理化學過程減少氮去除，然而，這可能會被微藻增加營養鹽同化所抵消，從而對總氮去除沒有影響。

我們的研究情況并非如此，因為對照組中的氨氣提作用顯著高于處理組中增加的微藻同化作用。在中試規模HRAPs中觀察到在升高的pH下通過氣提的高氨剝離，但在全尺寸廢水HRAP系統中未觀察到。當培養物達到pH 11時，從HRAPs到空氣的氨氣去除率可能很高。連續混合可能增強了與大氣的氣體交換，這可能解釋了與全尺寸HRAP系統相比，HRAMs中氨剝離增強的原因，在全尺寸系統中表面水張力的破壞較低。磷酸鹽沉淀可能解釋了本研究中對照組DRP濃度低于處理組的原因。沉淀強烈依賴于池塘pH、溫度、磷酸鹽和陽離子濃度，當pH > 8.2時，可占磷酸鹽去除的80%。

雖然處理組之間的NH?-N濃度沒有差異，但在pH 8和pH 7.5時較高的硝化/反硝化作用導致硝酸鹽-亞硝酸鹽濃度增加。處理組之間硝酸鹽-亞硝酸鹽濃度的差異可能是不同pH水平下硝化細菌活動的結果。硝化細菌在pH 7.5-8.5之間生長最佳，在pH低于6.5和高于10時受到抑制。總體而言，HRAMs中的DIN濃度隨著pH降低而降低，導致在pH 6.5時的出水水質優于pH 8。

然而，盡管在較低pH下DIN去除顯著增加，但這并未轉化為改善的營養鹽去除效率，因為在較低pH下生長的微藻并未同化更多DIN，盡管光合作用和生物量產量更高。碳和氮代謝在微藻中緊密相連，C:N比會影響無機碳和氮的吸收和同化。在高CO?濃度下，DIN吸收減少被認為與單位細胞葉綠素含量和光合作用減少有關，反映了細胞光合機構對蛋白質需求的減少。在低光條件下，升高CO?對微藻生長的刺激比在飽和光條件下更顯著，很可能是由于CCM活性抑制而節省了能量。低光下效率的提高將導致在升高CO?條件下每單位氮的碳固定率更高。這可能解釋了為什么在本研究中，盡管光合效率和提高，NRE并未在CO?增加下增加。

4.5. 光氣候、吸收和包裝效應

光被認為是廢水HRAPs中微藻的主要生長限制因素之一。所有HRAMs（包括對照組）中的光都迅速衰減，超過一半的下部水柱低于表面輻照度的1%。因此，充分混合的微藻細胞有一半時間低于被認為足以支持凈光合作用的光水平。隨著DIC供應增加而增加的生物量導致更大的光衰減，從而減少了細胞在一天中經歷的總光量子。對照組中的微藻在一天中經歷更高光強和更大深度范圍，而pH 6.5的微藻經歷的光強最少。然而，光轉化效率隨著Emix的減少而增加，表明盡管HRAM中的光氣候變差，但微藻隨著CO?添加的增加，在光捕獲和利用方面變得更有效率。

光轉化效率的提高是葉綠素特異性光吸收增加的結果，隨著CO?添加的增加。這種響應也在響應于升高CO?濃度和酸化的海洋硅藻培養中被報道。除了光吸收增加外，相應的“包裝效應”也減小。光吸收是細胞和群體大小以及細胞內色素濃度的函數。包裝效應或內部自遮蔭源于葉綠體在細胞內的堆疊，導致每個葉綠素分子捕獲的光減少。包裝效應減小是隨著DIC增加/pH降低，單位微藻生物體積Chl-a減少的結果，而葉綠素特異性光吸收增加是Chl-a減少和Chl-b增加共同作用的結果。光吸收的改善，特別是在Emix減少的情況下，可能對微藻的光合效率和量子產額產生積極影響。

4.6. 電子傳遞速率、非光化學淬滅和日變化

日間RLC表明處理組和對照組中的微藻表現出典型的光適應物種的光合特性。盡管HRAMs中Kd非常高且光氣候差，但這反映了對非常頻繁暴露于飽和輻照度的適應。光適應物種在一天開始和結束時適應低光，同時在整個一天中適應增加的輻照度。無論處理如何，ETREk和ETRmax在整個一天中隨著輻照度增加而增加，然后在傍晚隨著輻照度減少而減少。在低輻照度下，ETR不受CO?添加影響，如所有HRAMs中相似的ETRα所示，而增加CO?添加導致在高和飽和輻照度下ETR增強，如ETREk和ETRmax所示。

這種積極效應與一天中的時間無關。雖然與對照組相比，在高輻照度下電子傳遞和ETRmax對CO?添加有顯著響應，但直到培養物pH降至pH 7時，額外的CO?才導致電子傳遞顯著增加，在pH 6.5時電子傳遞和ETRmax進一步增加。響應于增加CO?添加，ETRmax增加的三個合理解釋是：1) 光捕獲效率提高（如上所述），2) 響應于DIC限制的卡爾文循環限制，3) 高輻照度下增加的CO?固定速率允許電子傳遞速率增加。雖然ETR和生長很少等同，但在本實驗中，響應于增加CO?添加，ETRmax增加和Pmax增加之間存在良好的相關性，這導致微藻生物量增加。這表明改善的光捕獲和高輻照度下增加的碳固定是CO?添加增加ETRmax的機制。本研究未評估卡爾文循環。

進入光系統II的電子可以遵循幾種競爭途徑，雖然大多數電子通常用于將CO?還原為碳水化合物，但一些電子可能損失到替代細胞過程或被消散，例如通過NPQ。過量光能的消散發生在色素吸收光之后，通常占捕獲總光能的50%以上。NPQ對于在波動光環境中生長的微藻（如HRAPs中經歷的環境）是一個重要過程，它有助于平衡光能吸收與其利用，同時最小化光損傷。

對照組的較低NPQ表明這些微藻與CO?添加處理組相比，應對高輻照度的能力較差。在增加CO?添加下培養的微藻能夠通過維持活躍的NPQ系統來維持更高的光合能力（由更高的Ek、ETRmax和Pmax表明）。

在飽和輻照度之后，產量和NPQ的暗恢復是淬滅過程松弛的量度。淬滅僅在PSII修復機制在暗處發生時松弛。雖然NPQ的恢復不如產量恢復快，特別是在較低pH下，但在所有處理組中NPQ的恢復確實在60秒內發生。這表明在廢水微藻中，隨著輻照度增加，NPQ增加是調節性變化的結果，這些變化增強了能量消散，而不是長期光抑制的結果。微藻通過HRAP淺水柱的連續垂直運動意味著細胞在不到10秒的時間內進出飽和輻照度。如此快速的水柱運動可能對那些NPQ和產量恢復時間長于暴露于飽和光強之間的時間的微藻產生負面影響。當高輻照度下活性PSII的光失活比修復過程發生得更快時，可能導致細胞陷入凈光抑制狀態。這可能導致光合作用和生長減少。總之，未添加CO?生長的微藻細胞具有低ETRmax、低ETREk、弱NPQ發展和較高光抑制。CO?添加導致ETRmax和ETREk增加，以及NPQ發展更強。