微藻生物质生产中细胞聚集机理与动力学研究

Microalgal cells aggregate under certain culture conditions, which reduces cell growth, but on the other hand, the forming of cell aggregates in the declining phase facilitate their separation and harvesting. Consequently, understanding the mechanisms of microalgal cell aggregation and aggregation kinetics would have great impact on the large-scale microalgal biomass production. This project is organized to induce Chlorella cell aggregation by the different growth phases and stress regulations firstly. As the extracellular polymeric substance (EPS) plays a very important role on the cell surface characteristics, the dynamics of composition and content of EPS and their physico-chemical characteristics will be investigated during the Chlorella cell aggregation process. Then the formation mechanisms of cell aggregates will be illuminated coupling adhesion force with other cell-cell interaction forces involved in Extended Derjarguin- Landau- Verwey- Overbeek (EDLVO) theory, and the form and coverage of the key interaction forces will be resolved. Furthermore, attachment efficiency and collision frequency based collision model will be applied to verify the kinetics of cell aggregation, and the contribution of adhesion force will be evaluated. This project will not only enrich our knowledge on the strategies to induce cell aggregation for the augment of productivity and economic efficiency in large-scale microalgal biomass production, but also provide a new approach to extend the EDLVO theory for new generalized model for microbial cell aggregates formation and kinetics.

微藻细胞在一定的培养条件下表面失稳形成聚集体，对细胞的生长产生不利影响；另一方面，生长阶段后期细胞聚集体的形成增强了细胞的分离特性，从而有利于微藻细胞的收获。因此，研究细胞聚集体的形成和动力学机制对微藻生物质的生产具有重要意义。本项目以小球藻为研究对象，采用不同的生长阶段和胁迫条件诱导细胞形成聚集体。在细胞聚集过程中，系统地研究胞外聚合物的组成、含量以及物理化学特性的变化，并结合细胞之间的粘附力和EDLVO模型来研究细胞聚集体形成的发生机制，辨析关键作用力的类型及其作用范围。此外，运用基于粘附效率和碰撞频率的颗粒碰撞模型来验证细胞聚集体形成的动力学变化规律，并分析粘附力对细胞聚集动力学的相对贡献。本项目的开展不仅为提高微藻生物质生产效率和经济性提供理论依据，同时也为丰富和完善EDLVO理论在生物细胞-细胞相互作用方面的应用，以及构建广义的微生物细胞聚集形成及动力学模型提供了新的研究思路。

微藻细胞聚集和动力学机制对微藻生物质大规模生产具有重要意义。微藻聚集体的形成过程极为复杂，影响因素众多，而对其机制和动力学的研究相对较少。本项目通过酸提法、碱提法和加热法对微藻细胞胞外聚合物（EPS）进行提取和成分分析，结果表明，70 ℃及以上加热对细胞叶绿素溶出有一定影响，酸提法对细胞影响相对较小；EPS中含有较多的类蛋白质物质，其在衰亡期细胞EPS中的荧光强度高于对数期。EPS在亲疏水性组成上，主要由亲水性物质（78.4%）组成；在分子量组成上，主要由<3 KDa和>50 KDa的组分构成（约各占一半）。酸洗法在回收混凝收获所得微藻生物质中铝盐混凝剂的同时，还可对微藻生物质进行净化。该方法对其他种类的微藻和混凝剂也适用。在相同Al3+的初始投加量下，回收的混凝剂的收获效率高于新鲜混凝剂。进一步研究证实EPS在混凝剂回收过程中被浸出，起到了助凝作用，而<3 KDa的有机物是起助凝作用的关键组分。我们还建立了微藻细胞-细胞相互作用的EDLVO模型，结果表明，范德华引力、静电斥力和酸碱作用力分别在较近、较远和中等细胞间隔距离下起主导作用；细胞间隔距离在7 nm以上和以内，总相互作用分别表现为斥力和引力。对数期和衰亡期微藻细胞-细胞之间的力-距离曲线结果表明，衰亡期小球藻细胞-细胞之间的粘附力（0.043 nN）显著大于对数期（0.016 nm.），这与衰亡期细胞收获效率更高的结论相吻合，表明粘附力在细胞聚集中的重要作用。Al3+混凝系统细胞聚集的动力学分析结果表明，Al3+浓度达到15 mg/g及以上时，细胞达到90%以上聚集率所需时间极短，而EPS中具体的有效助凝成分对细胞聚集动力学的影响尚待深入探讨。本项目研究成果有助于推动微藻细胞EPS助凝动力学的理论研究，在应用上将有利于后续新型助凝剂和新型微藻收获方式的开发和应用。