多相光生化转化过程中的界面行为及能质传递强化

针对微生物能源转化和污染治理领域光生化反应系统中典型的多相流动与传递问题，从认识多相光生化转化过程中的界面行为和能质传递机理及规律着手，提出生化转化过程多尺度强化思想。研究微藻细胞能质跨膜传递及转化机理，探索提高光合效率和固碳的基因改造方法；研究微生态环境中的信号分子调控微生物生长代谢的机理及特性，揭示固相界面上信号分子和底物传递以及微生物生长的耦合关系；研究多相生化反应体系中微生物的微观运动和固相界面吸附特性，获得微槽结构表面和具有信号分子的固体界面上微生物成膜规律和传递特性；研究细胞悬浮液中气液两相界面与微生物的相互作用机制，得到微生物吸附及微观迁移行为对界面传递的影响规律；研究气液两相流非平衡非线性的微观界面行为及其强化传递的作用；构建多相生化转化的多层次多过程的协同强化理论及方法。丰富热物理学科内涵，促进学科交叉，推动生物质能利用和环境污染治理技术发展，具有重要的理论价值和实际意义

本项目针对微生物能源转化和污染治理领域光生化反应系统中典型的多相流动与传递问题，从认识多相光生化转化过程中的界面行为和能质传递机理及规律着手，提出生化转化过程多尺度强化思想。主要研究微藻细胞能质跨膜传递及转化机理、微生态环境中的信号分子调控微生物生长代谢的机理及特性、多相生化反应体系中微生物的微观运动和固相界面吸附特性、细胞悬浮液中气液两相界面与微生物的相互作用机制，从而建立多相生化转化过程强化理论及方法。通过系统实验研究和理论分析，获得光合作用和糖含量均有提高的共转殖株，探明与微藻细胞CO2跨膜传输和转化相关的基因及蛋白质，得到促进微藻细胞CO2传输和光合作用的基因工程改造及培养优化方法。分离出3株产AHLs信号分子的细菌，获得信号分子传递与微生物生长代谢调控的规律并揭示循环水系统中生物膜形成过程微生物的演替规律。建立液相流动条件下细菌运动模型及非均匀浓度条件下趋化运动模型，获得不同生物膜反应器结构、流场、浓度场下细菌运动及附着特性，揭示流动边界层对细菌运动、附着及成膜过程的关键影响规律。制备出SiO2–壳聚糖-培养基有良好生物兼容性的生物膜载体，光合细菌的吸附能力提高7.1倍。耦合光纤多因素（温度、pH、底物浓度、生物膜厚度、产氢量等）在线测量及反馈调节系统，建立生物膜光合产氢过程强化方法。系统地研究了微藻细胞在含CO2气液相界面的微观行为、吸附机理和特性，吸附有微藻的两相界面CO2传递机理及传递行为。基于气液流动及界面传递行为、光能传递特性、微藻生长对营养物质消耗速率，建立微藻游离细胞悬浮液光生物反应器多相多阶段传递强化机理及方法，并提出一种综合考虑不可逆损失和产能速率的评价光生化反应器性能的热力学分析方法。在CO2跨膜传输、信号分子调控、生物膜光纤在线测量、含微藻细胞的气液界面行为及界面传递、高效光生物反应器、多相生化转化强化方法等方面进行了创新，为微生物光生化转化高效反应器的应用及发展奠定了基础。