微藻细胞在固体介质表面的粘附行为与成膜动力学

Attached biofilm cultivation is a potential way to efficiently improve microalgae cultivation productivity, water saving and cost reduction. Of which the premise is to form a steady and dense biofilm which could fully covered on the surface of solid substratum. In order of that, understand of the adhesion behavior of microalgae on substratum surface which is dominated by the properties of both substratum surface and microalgae and the hydraulic removal effect by medium are the key problems. This project will use three typical microalgae species of fresh Chlorella sp., marine Cylindrotheca fusiformis and filamentous Spirulina platensis, investigate the adhesion effect and biofilm strength of microalgae on substratum surface with gradient properties including hydrophobicity, charge density, texture porosity and surface roughness. It is expected to construct a relationship between biofilm formation and substratum surface properties. And also, the influences of biofilm removal by hydraulics (flow rate, medium types of fresh and marine water) and algal extracellular secrets (EPS) will be investigated. Finally, a kinetic model associated with heterostructure of algal biofilm, medium transfusion and hydraulics shears will be constructed to simulate the formation and development of such algal biofilm. The results would help to solve the problems of substratum selection, process control for biofilm formation and development, and then promote the industrial practice of microalgae attached cultivation technology. It will also provide valuable information for other similar biofilm processes.

生物膜贴壁培养是实现微藻高效、节水和低成本培养的重要途径。该技术应用的核心之一是在固体介质材料表面形成致密稳定的微藻生物膜，而微藻与贴壁材料表面的粘附及其水力脱附是控制生物膜形成和发展关键。本项目以三种典型的具生物能源转化价值的产油淡水小球藻、海水筒柱藻和具经济应用价值的丝状螺旋藻为对象，通过制备具有不同表面特性（亲疏水性、表面电荷密度、表面粗糙度、表面空隙度与空隙尺寸等）的固体梯度材料，考察固体表面特性对藻细胞粘附和生物膜强度的影响规律，建立粘附能力与藻细胞形态及固体表面特性之间的关联关系;研究水力学条件（流速、淡水/海水介质）以及胞外分泌物EPS对生物膜脱附的影响；建立基于生物膜异质结构、渗流作用及流体剪切影响下的动力学模型来表征微藻生物膜形成和发展过程。研究结果将为解决微藻贴壁培养的工业贴壁材料选择与过程控制问题提供理论与技术基础，也为理解类似生物膜过程的形成及其动力学控制提供参考。

在固体材料表面黏附成膜是微藻细胞的一种生理特性。近些年基于微藻生物膜的生物过程，如生物膜贴壁培养和防附着技术受到了很多关注。微藻在固体材料表面的黏附受藻细胞与材料表面之间的相互作用的影响，建立黏附强度与材料表面性质参数间的关系对于通过材料选择来强化或控制微藻生物膜具有非常重要的意义。本项目制备了具有表面电荷密度、表面亲疏水性、表面粗糙度单变量变化的固体介质梯度材料，研究考察了材料表面电荷密度、表面亲疏水性、表面粗糙度、表面微结构等表面性质对微藻粘附的影响，建立了微藻粘附容量与材料表面性质的关联关系；研究了水力剪切对藻细胞粘附、脱附的影响，建立的微藻水力剪切二阶脱附动力学模型成功模拟了微藻生物膜的水力剪切脱附；研究揭示了高浓度CO2溶解使培养pH酸性导致藻细胞内单线性氧过量累积抑制微藻生长的机制，建立的基于pH反馈控制CO2通断的烟气补碳策略解决了高浓度烟气CO2抑制微藻生长的难题，实现了CO2的高效利用；考察了温度、光照和pH等对小球藻生物膜成膜与发展的生长动力学、生物膜结构等的影响，建立了异质结构生物膜时空离散的光、碳多相传输与微藻生物膜生长动力学模型，利用差分-离散混合自动元胞机模型对小球藻生物膜生长过程进行了模拟，揭示了小球藻生物膜形成和发展演化规律，发现生物膜内碳传输深度小于光传输浓度，为通过强化生物膜内碳传输进一步提高微藻生物膜生长速率的策略提供了理论依据；将微藻在材料表面的粘附研究延伸发展到抗生物附着防污材料研究，发展的一种螺旋藻生物碳—氧化亚铜—苯丙复合涂层材料具有优良的抗藻附着防污性能。上述研究结果为解决微藻生物膜贴壁培养技术的介质材料选择与设计，生物膜贴壁培养过程强化，以及抗污材料制备提供了重要理论依据。