细胞界面性质对能源微藻生物膜结构内传递现象的影响

Microalgae biofilm growth systems show great potential for the production of biofuels. Acknowledgedly, the transport phenomena of light, CO2, O2 and nutrients in microalgal biofilm play important roles for the biomass improvement. The project aims to investigate the influence of cell’s interfacial properties on the microalgal biofilm structure and the transport phenomena in biofilm. Firstly, we planned to determine the cell’s interfacial properties by a novel spectrophotometric method and a low-rate dynamic contact angle measurement system, which both developed by us, recently. In addition, the impacts of culture mode and parameters on the cell’s interfacial properties will be investigated. Secondly, based on the observation of biofilm, the microstructure, including the cell spatial distribution, biofilm porosity, etc., will be determined via image processing and fractal theory. Then, the relationship between the cell’s interfacial properties and biofilm structure will be studied by analyzing the energy with the fractal theory and DLVO model. Thirdly, the transport phenomena of light, CO2, O2 will be measured by microsensors. Based on the experimental measurements and mathematical modelling, the relations among the cell’s interfacial properties, biofilm microstructure and transport phenomena in biofilm will be established. The project provides a new perspective and means to understand the transport phenomena in microalgal biofilm, and may have important implications for the development of more efficient microalgae biofilm growth systems.

生物膜式培养是能源微藻领域的一个重要研究方向。通过优化光、CO2等在生物膜内的传递行为来促进细胞生长已受到越来越多关注。本项目旨在通过揭示细胞界面性质对生物膜结构的影响机制，探索藻细胞界面特性-生物膜空间结构-生物膜内传递现象间的关联方法。拟基于自主开发的实验技术，获得一系列微藻细胞的界面特性，分析培养条件等因素对细胞界面性质的影响；观测由典型界面特性细胞所形成生物膜的结构，基于图像处理和分形方法，获得生物膜内微细孔/道的空间形态、尺寸分布等参数，提炼细胞界面特性对生物膜结构的影响机制；通过分析体系能量变化，建立细胞界面特性和生物膜结构间的数学关联。采用微探针实验平台测试不同结构生物膜内光和物质传输现象，结合对微藻细胞生长特性的观测，建立微藻细胞界面特性-生物膜内空间结构-生物膜内光和物质传输过程-生物膜生长速率间的关联方法。尝试基于细胞界面特性的角度，提出具有高效传递性质和高产油率的生物膜构建策略。

本项目旨在揭示细胞界面性质对生物膜结构的影响机制，探索藻细胞界面特性－生物膜空间结构－生物膜内传递现象间的关联方法。研究成果如下：. （1）细胞界面性质精确表征及不同不同培养方式及培养条件对微藻细胞界面性质的影响.采用分光光度法及低速率动态接触角法完成了对小球藻、微绿球藻等数十种微藻界面性质表征，同时通过XPS分析了细胞表面组成。研究了培养方式、培养基pH、培养基离子浓度、生物膜含水量、光照条件及二氧化碳供给条件对细胞界面性质的影响。. （2）生物膜形成机制及预测模型建立.基于细胞界面性质及对粘附过程中主导作用力的分析，提出了一种预测细胞粘附的模型。发现：微生物粘附过程会受到静电作用力或酸碱基相互作用力的主导。通过分析细胞与材料的界面性质，可明确生物膜形成过程中的主导作用力。当酸碱基相互作用力主导时，细胞粘附量随细胞和表面电子供体增加而减少；当静电作用力主导时，细胞粘附量随细胞和表面电位增加而减少. （3）细胞界面性质对生物膜结构的影响.采用激光共焦等技术，观测了不同界面性质细胞所形成的生物膜的微观结构；建立细胞间作用力与生物膜孔隙率，粗糙度等参数关联关系，揭示了细胞界面特性对生物膜结构的影响律。发现细胞表面能较低时，生物膜结构复杂，非均一性明显，孔隙率较大；当细胞表面能较高时，生物膜结构致密，孔隙率较低；并基于表面热力学理论对这一现象进行了解释和分析。. （4）生物膜结构对微藻生物膜传递现象的影响.结合微藻生物膜内传递现象的本质，建立了一维传质模型，分析了生物膜内的气体的传递，营养养物质的传递。同时，初步观测了营养物质在生物膜内传递现象。研究发现生物膜孔隙率较高时，更容易促进生物膜内的物质传递，生物膜生长更好，生物量更高。. 本文研究结果，为从细胞界面特性的角度调控微藻生物膜，研发具有高效传递性质和高产油率的微藻生物膜式培养技术提供了重要的基础数据。