The mechanism study of attached microalgae cultivation based on reverse osmosis concentrated water (WROC)

基于反滲透濃水培養(yǎng)附著微藻的機(jī)理研究(W ROC )

來源:Resources, Conservation & Recycling 179 (2022) 106066

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

研究提出基于反滲透濃水（WROC）的附著式微藻培養(yǎng)技術(shù)：

 

BIT抑制效應(yīng)：非氧化殺菌劑（BIT）對(duì)微藻生長抑制率達(dá)25%（8天）

組分優(yōu)勢(shì)：WROC培養(yǎng)的微藻脂質(zhì)（8.43±0.21%）和蛋白質(zhì)含量高于對(duì)照組

傳質(zhì)特性：生物膜內(nèi)無顯著氮磷傳遞阻力，但光合速率隨深度降低

電極發(fā)現(xiàn)：氧微電極揭示20-30μm處存在光抑制層（圖6d）

 

 

 

研究目的

 

實(shí)現(xiàn)WROC資源化利用（氮磷回收率>50%）

解析附著培養(yǎng)限制因素（污染物抑制/光照分布）

闡明生物膜傳質(zhì)機(jī)制（營養(yǎng)傳遞/光合梯度）

 

研究思路與技術(shù)路線

 

graph TD

A[WROC組分分析] --> B[附著培養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建]

B --> C1[宏觀生長響應(yīng)：生物量/組分]

B --> C2[微觀機(jī)制：元素分布/光合梯度]

C1 --> D[關(guān)鍵抑制因子識(shí)別]

C2 --> E[傳質(zhì)模型建立]

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及科學(xué)價(jià)值

1. 生長響應(yīng)數(shù)據(jù)（圖2-3）

 

生物量變化：WROC組最大生物量36.17 g/m2（較對(duì)照組低20%）

抑制效應(yīng)：BIT使生物量降低54.17%（圖3b）

意義：首次量化WROC組分抑制強(qiáng)度，指導(dǎo)預(yù)處理工藝優(yōu)化

 

2. 微藻組分?jǐn)?shù)據(jù)（圖3c）

 

脂質(zhì)穩(wěn)定性：WROC組脂質(zhì)含量波動(dòng)<0.5%（對(duì)照組波動(dòng)>2%）

蛋白質(zhì)優(yōu)勢(shì)：WROC組蛋白質(zhì)產(chǎn)量5.60 g/m2（較對(duì)照組高10.45%）

意義：揭示W(wǎng)ROC培養(yǎng)對(duì)微藻品質(zhì)的提升作用

 

3. 抗逆指標(biāo)數(shù)據(jù)（圖4）

 

氧化損傷：BIT組MDA含量升高3倍（膜脂過氧化）

酶活性：SOD活性在BIT脅迫下提升2.5倍（圖4c）

意義：闡明微藻應(yīng)對(duì)WROC脅迫的生理防御機(jī)制

 

丹麥Unisense電極的核心發(fā)現(xiàn)

測(cè)量原理

 

10μm玻璃氧電極（圖1b）穿透生物膜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

光暗對(duì)比法：凈光合速率=光照O?濃度-暗適應(yīng)O?濃度

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)（圖6c-d）

 

呼吸梯度：

0-30μm深度呼吸速率下降40%（圖6c右）

反映表層微藻受強(qiáng)光脅迫的代謝抑制

 

2

 

光合梯度：

凈光合速率峰值在20-30μm深度（圖6d右）

100μm內(nèi)光合活性>0（突破傳統(tǒng)光限制認(rèn)知）

 

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研究意義

 

工藝優(yōu)化：確定最佳光層厚度（30μm），指導(dǎo)生物膜厚度設(shè)計(jì)

機(jī)制創(chuàng)新：首次證實(shí)附著系統(tǒng)存在“光抑制-最適光合-光限制”三維分區(qū)

技術(shù)突破：實(shí)現(xiàn)生物膜內(nèi)代謝活動(dòng)的原位微米級(jí)解析

 

結(jié)論

 

關(guān)鍵抑制因子：BIT是WROC中最強(qiáng)抑制成分（54.17%生物量抑制）

培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)：附著培養(yǎng)可緩解鹽度脅迫（較懸浮系統(tǒng)抗性提升30%）

深度效應(yīng)：20-30μm處存在光合最適層（氧釋放速率峰值）

資源化潛力：WROC培養(yǎng)微藻的蛋白質(zhì)回收率達(dá)0.38g/g TN

 

Unisense電極的應(yīng)用價(jià)值

 

精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)：揭示傳統(tǒng)方法無法檢測(cè)的代謝梯度（如30μm處的光抑制拐點(diǎn)）

工藝診斷：識(shí)別生物膜內(nèi)“無效光層”（>100μm區(qū)域）

理論突破：推翻“均質(zhì)生物膜”假設(shè)，建立三維代謝模型

 

技術(shù)前瞻：結(jié)合微電極陣列與拉曼光譜，實(shí)現(xiàn)代謝-組分同步原位分析，推動(dòng)生物膜工程精準(zhǔn)調(diào)控。