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近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所(以下簡稱“青島能源所”)微藻生物技術研究組利用自動元胞機模擬技術結合實驗研究，系統(tǒng)解析了不同培養(yǎng)條件與CO2補碳模式下微藻生物膜內的光和溶解碳的傳遞過程，揭示了生物膜內光碳分布特征、表面形貌形成和生物膜增長機制。相關成果近日發(fā)表于化工領域頂級期刊Chemical Engineering Journal(化工學報)。此項研究結果為微藻生物膜貼壁培養(yǎng)反應器的優(yōu)化設計和培養(yǎng)過程強化奠定了理論基礎。

微藻生物膜的光/碳分布、生長分區(qū)、表面形貌與生長機制 劉天中 李璐?制圖

生物膜貼壁培養(yǎng)具有高光效、高產率、易采收和高效節(jié)水的優(yōu)勢，是突破微藻生產效率和成本瓶頸的變革性培養(yǎng)技術之一，近十年來受到國內外廣泛持續(xù)的關注。不同于傳統(tǒng)的微藻開放池和光反應器懸浮培養(yǎng)，人們對微藻生物膜的光碳傳輸和生長機制一直不清楚。

青島能源所微藻生物技術研究組研究表明，微藻生物膜有很強的光傳輸阻力，光最大穿透深度只有30-70um, 因此透光深度是制約微藻生物膜生長的最主要因素。由于培養(yǎng)基滲流作用，碳的傳遞阻力不大，碳分布較為充分。微藻生物膜可分為“光合生長區(qū)”和“休眠區(qū)”，光合作用只發(fā)生在生物膜上部的40-70um厚的“光合生長區(qū)”內，細胞不斷分裂—插入—成熟長大—再分裂，整個過程不斷抬升“光合生長區(qū)”并使生物膜增厚。生物膜厚度增大最終會導致膜表面附近碳濃度降低而限制繼續(xù)生長。青島能源所微藻生物技術研究組提出了提高光強、增加培養(yǎng)基碳濃度、及時采收，以及雙向補碳的微藻生物膜培養(yǎng)強化策略。

據悉，青島能源所微藻生物技術研究組長期致力于微藻高效培養(yǎng)技術的研究，自2013年提出微藻生物膜培養(yǎng)的方法和原理以來，陸續(xù)在該技術領域取得一系列進展，累計發(fā)表論文30余篇，系統(tǒng)揭示了微藻生物膜培養(yǎng)碳氮調控油脂合成機制、光自適應機制、粘附成膜機制，建立了基于光稀釋的多表面反應器設計新原理、工業(yè)貼壁介質構造和CO2高效補碳技術，在青島平度市和內蒙古鄂爾多斯建立了螺旋藻貼壁培養(yǎng)固定CO2中試系統(tǒng)。上述研究為利用微藻生物膜貼壁培養(yǎng)技術實現(xiàn)高效固碳與生物質高效生產提供了重要工藝理論與技術支撐。

關鍵詞： 貼壁培養(yǎng) 生物技術 表面形貌 優(yōu)化設計 穿透深度