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(nèi)容

 

研究對象：附著培養(yǎng)的微藻生物膜（Chlorella vulgaris）內(nèi)部光合速率的垂直分布規(guī)律。

核心發(fā)現(xiàn)：

首創(chuàng)量化方法：基于溶解氧（DO）微電極測量氧濃度梯度 f(x)，構(gòu)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(nèi)光合速率呈線性衰減（圖2），而懸浮系統(tǒng)為指數(shù)衰減（公式2-1, 2-2），因生物膜空隙含氣態(tài)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(qiáng)光下可提升389–956%（圖3）。

光適應(yīng)機(jī)制：深層微藻光飽和點(diǎn)降低（100–150 μm層：2000 lx；表層：8000 lx），適應(yīng)低光環(huán)境（圖3）。

 

 

 

 

 

2. 研究目的

 

量化生物膜光合梯度：解決附著培養(yǎng)系統(tǒng)中光梯度影響光合效率的關(guān)鍵問題。

對比系統(tǒng)差異：揭示附著vs.懸浮培養(yǎng)的光傳輸機(jī)制差異。

挖掘深層藻潛力：評估深層微藻在強(qiáng)化光照下的光合恢復(fù)能力。

 

3. 研究思路

 

材料準(zhǔn)備：小球藻生物膜培養(yǎng)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(jìn)掃描，獲取8組光強(qiáng)（0–10,000 lx）下的 f(x) 曲線（圖1）。

模型構(gòu)建：基于Fick擴(kuò)散定律和氧質(zhì)量守恒，推導(dǎo) v 與 f′′(x) 的線性關(guān)系（公式3-2）。

對比驗(yàn)證：對比懸浮系統(tǒng)光衰減模型（Steele模型，公式2-2）。

數(shù)據(jù)分析：分層計(jì)算光合速率，統(tǒng)計(jì)顯著性（t-test, p<0.05）。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及意義

關(guān)鍵數(shù)據(jù)與來源

數(shù)據(jù)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(nèi)部氧梯度，為模型提供輸入數(shù)據(jù)。

光合速率垂直分布 圖2 附著系統(tǒng)線性衰減（斜率-0.15）vs.懸浮系統(tǒng)指數(shù)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(qiáng)響應(yīng)） 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(diǎn)變化 圖3 深層微藻光飽和點(diǎn)降低（100–150 μm: 2000 lx；0–50 μm: 8000 lx），表明其低光適應(yīng)性進(jìn)化。

 

 

 

5. 核心結(jié)論

 

光傳輸機(jī)制革新：生物膜因含氣態(tài)空隙，光衰減更緩慢（線性），區(qū)別于懸浮系統(tǒng)的指數(shù)衰減（圖2）。

深層光合潛力：強(qiáng)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(yīng)策略：深層微藻下調(diào)光飽和點(diǎn)以適應(yīng)低光，限制強(qiáng)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(shù)據(jù)的深度解讀

測量方法與結(jié)果

 

技術(shù)參數(shù)：

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

掃描精度：10 μm步進(jìn)，垂直穿透生物膜（圖1）。

校準(zhǔn)：空氣飽和水（21 kPa）與無氧溶液兩點(diǎn)校準(zhǔn)。

關(guān)鍵結(jié)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(qū)。

二階導(dǎo)計(jì)算：f′′(x) 峰值對應(yīng)光合速率最大值（公式3-2）。

強(qiáng)光響應(yīng)：5000 lx下，150–200 μm層 f(x) 斜率增大，反映氧產(chǎn)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(nèi)部微尺度代謝異質(zhì)性（傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)）。

動態(tài)過程捕捉：實(shí)時(shí)監(jiān)測光強(qiáng)變化下的氧重分布（如400 lx → 5000 lx，圖3b），解析光適應(yīng)動力學(xué)。

機(jī)制驗(yàn)證：通過 f′′(x) 計(jì)算直接驗(yàn)證光合抑制假說（10,000 lx下表層 v 下降，圖3a）。

應(yīng)用導(dǎo)向：指導(dǎo)生物膜反應(yīng)器設(shè)計(jì)——優(yōu)化光分布（如梯度光照），最大化深層藻產(chǎn)能。

 

總結(jié)

 

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(shù)學(xué)模型。結(jié)論揭示：生物膜內(nèi)光衰減更平緩，深層微藻具巨大光合潛力；Unisense數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了光適應(yīng)理論，更為生物膜反應(yīng)器的光調(diào)控提供了高精度設(shè)計(jì)依據(jù)。 未來可拓展至不同藻種/EPS分泌對光傳輸?shù)挠绊懷芯俊?