(相關(guān)資料圖)

近日，中國科學(xué)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(shù)研究組利用自動元胞機(jī)模擬技術(shù)結(jié)合實驗研究，系統(tǒng)解析了不同培養(yǎng)條件與CO2補(bǔ)碳模式下微藻生物膜內(nèi)的光和溶解碳的傳遞過程，揭示了生物膜內(nèi)光碳分布特征、表面形貌形成和生物膜增長機(jī)制。相關(guān)成果近日發(fā)表于化工領(lǐng)域頂級期刊Chemical Engineering Journal(化工學(xué)報)。此項研究結(jié)果為微藻生物膜貼壁培養(yǎng)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計和培養(yǎng)過程強(qiáng)化奠定了理論基礎(chǔ)。

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

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

青島能源所微藻生物技術(shù)研究組研究表明，微藻生物膜有很強(qiáng)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(nèi)，細(xì)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(dǎo)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(shù)研究組提出了提高光強(qiáng)、增加培養(yǎng)基碳濃度、及時采收，以及雙向補(bǔ)碳的微藻生物膜培養(yǎng)強(qiáng)化策略。

據(jù)悉，青島能源所微藻生物技術(shù)研究組長期致力于微藻高效培養(yǎng)技術(shù)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(shù)領(lǐng)域取得一系列進(jìn)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(diào)控油脂合成機(jī)制、光自適應(yīng)機(jī)制、粘附成膜機(jī)制，建立了基于光稀釋的多表面反應(yīng)器設(shè)計新原理、工業(yè)貼壁介質(zhì)構(gòu)造和CO2高效補(bǔ)碳技術(shù)，在青島平度市和內(nèi)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(shù)實現(xiàn)高效固碳與生物質(zhì)高效生產(chǎn)提供了重要工藝?yán)碚撆c技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 貼壁培養(yǎng) 生物技術(shù) 表面形貌 優(yōu)化設(shè)計 穿透深度