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

基于反滲透濃水培養附著微藻的機理研究(W ROC )

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

 

摘要核心發現

 

研究提出基于反滲透濃水（WROC）的附著式微藻培養技術：

 

BIT抑制效應：非氧化殺菌劑（BIT）對微藻生長抑制率達25%（8天）

組分優勢：WROC培養的微藻脂質（8.43±0.21%）和蛋白質含量高于對照組

傳質特性：生物膜內無顯著氮磷傳遞阻力，但光合速率隨深度降低

電極發現：氧微電極揭示20-30μm處存在光抑制層（圖6d）

 

 

 

研究目的

 

實現WROC資源化利用（氮磷回收率>50%）

解析附著培養限制因素（污染物抑制/光照分布）

闡明生物膜傳質機制（營養傳遞/光合梯度）

 

研究思路與技術路線

 

graph TD

A[WROC組分分析] --> B[附著培養系統構建]

B --> C1[宏觀生長響應：生物量/組分]

B --> C2[微觀機制：元素分布/光合梯度]

C1 --> D[關鍵抑制因子識別]

C2 --> E[傳質模型建立]

 

關鍵數據及科學價值

1. 生長響應數據（圖2-3）

 

生物量變化：WROC組最大生物量36.17 g/m2（較對照組低20%）

抑制效應：BIT使生物量降低54.17%（圖3b）

意義：首次量化WROC組分抑制強度，指導預處理工藝優化

 

2. 微藻組分數據（圖3c）

 

脂質穩定性：WROC組脂質含量波動<0.5%（對照組波動>2%）

蛋白質優勢：WROC組蛋白質產量5.60 g/m2（較對照組高10.45%）

意義：揭示WROC培養對微藻品質的提升作用

 

3. 抗逆指標數據（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：闡明微藻應對WROC脅迫的生理防御機制

 

丹麥Unisense電極的核心發現

測量原理

 

10μm玻璃氧電極（圖1b）穿透生物膜實時監測

光暗對比法：凈光合速率=光照O?濃度-暗適應O?濃度

 

 

關鍵數據（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內光合活性>0（突破傳統光限制認知）

 

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研究意義

 

工藝優化：確定最佳光層厚度（30μm），指導生物膜厚度設計

機制創新：首次證實附著系統存在“光抑制-最適光合-光限制”三維分區

技術突破：實現生物膜內代謝活動的原位微米級解析

 

結論

 

關鍵抑制因子：BIT是WROC中最強抑制成分（54.17%生物量抑制）

培養優勢：附著培養可緩解鹽度脅迫（較懸浮系統抗性提升30%）

深度效應：20-30μm處存在光合最適層（氧釋放速率峰值）

資源化潛力：WROC培養微藻的蛋白質回收率達0.38g/g TN

 

Unisense電極的應用價值

 

精準監測：揭示傳統方法無法檢測的代謝梯度（如30μm處的光抑制拐點）

工藝診斷：識別生物膜內“無效光層”（>100μm區域）

理論突破：推翻“均質生物膜”假設，建立三維代謝模型

 

技術前瞻：結合微電極陣列與拉曼光譜，實現代謝-組分同步原位分析，推動生物膜工程精準調控。