化石燃料的不断枯竭和环境问题的日益严重已引起社会的广泛关注，随着对各种可再生能源的不断探索，生物质能凭借其可再生、储量大、来源广、利用方式多样等优点而受到人们的青睐，其中以生物电化学技术（BES）为基础的新能源技术被世界各国关注和研究。微藻作为原核或真核光合微生物，由于其生长繁殖快，生产周期短，且能够在恶劣条件下生存，因此微藻在生物电化学系统（BESs）中被广泛研究应用。在生物产电过程中，微藻可作为微生物燃料电池发电原料，参与到微生物燃料电池（MFCs）的阳极和阴极反应。同时，微藻附着在电极形成的生物电极能够有效解决使用非生物电极作为催化剂在产电过程在产生的昂贵费用，因此其具有良好的发展前景。
在BESs体系中微生物能够促进电极的氧化和/还原反应，从而能够在电极表面形成电活性生物膜增强发电。然而，人们对BESs体系中微生物的附着及生物膜形成并不清楚。载体表面微藻生物膜的形成通常伴随着大量相关微生物，形成的第一步是细胞粘附，随后是生物膜的形成。研究发现在生物膜形成过程中，环境物理化学性质、细胞和载体表面特性、细菌运动能力及内部察觉机制均可能会影响微藻生物膜的形成。为了明确微藻在BESs体系电极表面的附着特征和作用机理，本研究采用单室和双电极BES反应器，系统探究了不同营养条件和外部电压下小球衣藻（FACHB-52，国家水生生物种质资源库，武汉，网址：首页-中国科学院淡水藻种库 (ihb.ac.cn)）的运动和在碳毡上的附着聚集特征，以及碳毡对养分（硝酸盐和磷酸盐）的吸附模式，并通过主成分分析（PCA）定量评价了细胞运动速率、养分吸附、胞外聚合物（EPS）分泌量以及细胞Zeta电位等的潜在关联机制和作用原理，剖析其对微藻在碳毡电极上附着聚集的调控途径。
实验结果
（1）不同外加电压下的小球衣藻的附着聚集特征
在各个硝酸盐和磷酸盐浓度下施加外部电压的刺激明显促进了小球衣藻细胞的附着（图1所示）。其中，在低电压（200 mV）情况下，初始硝酸盐浓度对初期细胞的附着影响不显著（P < 0.05），仅对后期（720 min）具有显著影响（P < 0.05）；然而，在在较高的外部电压（400-800 mV）下，随着培养的进行，不同的初始硝酸盐浓度对环境中细胞附着均出现显著影响。同样的，在各个外部电压刺激条件下，不同磷酸盐浓度对初期的细胞附着影响也较小；而在中后期，不同的初始磷酸盐浓度在所有的外部电压条件下对细胞附着都有显著差异。另外，对附着细胞的方差分析表明，不同的外加电压对所有初始硝酸盐或磷酸盐浓度以及不同时间的附着细胞数均有极显著差异（P < 0.01）。这些结果表明，与初始的硝酸盐或磷酸盐浓度相比，外加电压对细胞附着的影响可能更大。
（2）不同外加电压下电极碳毡对养分的吸附特征
除了提供细胞附着的载体以外，碳毡还可以作为硝酸盐或磷酸盐的富集层，吸附硝酸盐和磷酸盐，以支持小球衣藻的生长。与没有外部电压条件相比，在有外部电压刺激下，碳毡上的硝酸盐或磷酸盐吸附量整体上是减少的（如图2所示）。同时，在所有外加电压情况，在各个营养浓度下，硝酸盐、磷酸盐的吸附量没有显著差异（P > 0.01）。另外，Pearson和Spearman相关分析发现，在所有的外部电压刺激下细胞附着与碳毡上的硝酸盐或磷酸盐吸附之间未存在显著的相关性。这表明，除了营养源调节细胞附着在碳毡上之外，还存在其他机制（例如，细胞运动性等）。
（3）外加电压对小球衣藻运动速率的影响
施加外部电压明显刺激了细胞的运动速率。如图3所示，在未稀释的SE培养基中，在不施加外部电压情况下，小球衣藻的运动速率范围为16.44 - 30.85 μm/s；而在200 mV的外加电压下，运动速率达到46.18 - 51.55 μm/s，在400 mV外加电压时则进一步升高至50.00 - 58.69 μm/s，而当外加电压继续增大到800 mV时，我们发现细胞的运动速率有所下降，至41.88 - 47.37 μm/s。相比于养分非限制情况，小球衣藻的运动速率在养分（硝酸盐或磷酸盐）受限时略有降低，但此时施加外部电压仍然能显著增加细胞的运动速率。这一结果表明，不管是在高浓度或者低浓度的初始硝酸盐或磷酸盐环境中，外加电压都能显著促进细胞运动速率。同时，Pearson和Spearman分析显示，在不同的外加电压条件下，细胞附着与其运动速率之间具有很强的相关性。
（4）小球衣藻在不同养分条件和外加电压下附着状态的主导因子
分析细胞运动、硝酸盐或磷酸盐吸附和EPS分泌被认为是在外部电压和营养限制条件下驱动细胞附着的候选因素。本研究采用了主成分分析（PCA）方法，基于原SE溶液（硝酸盐、磷酸盐浓度均为250 mg/L）、2.5 mg/L硝酸盐限制营养和2.5 mg/L磷酸盐限制营养的三个代表性实验，评价了这些因素对细胞在碳毡表面附着的综合影响。分析结果表明（图4），无论在有无外加电压的情况下，养分（硝酸盐或磷酸盐）的吸附可能是决定细胞附着的主要因子，而细胞胞外聚合物尤其是多糖和蛋白质的分泌则对不同试验阶段的细胞附着起到关键的作用。另外，通过对限制营养条件的实验分析表明，在不同的试验培养时间梯度上，多糖和蛋白质的分泌是影响细胞附着的关键因子；而对于不同外加电压而言，养分（硝酸盐或磷酸盐）的吸附和细胞运动速率则成为影响细胞附着的主导因子。
图4 不同外加电压和接种后不同时间样本间多元变异的主成分分析（A）250 mg/L的硝酸盐和磷酸盐浓度，（B）2.5 mg/L的硝酸盐浓度，（C）2.5 mg/L的磷酸盐浓度
结论与展望
趋电性和趋化性运动对于微藻在BES电极表面的初始附着和后续生物膜的形成起着至关重要的作用。在没有外加电压的情况下，营养物质是控制微藻表面附着和随后的生物膜形成过程的一个重要因素。然而，外部电压的存在，是介导小球衣藻细胞通过趋电性细胞运动而最初附着的主要因素，并非营养可获得性，而营养的可获得性决定了小球衣藻生物膜的后续发展。本研究中这些定量的分析提高了我们对微藻在微生物电极表面附着和生物膜形成过程机理的理解，这为改善电化学的阴极性能带来了巨大希望，间接推动了生物燃料工业的发展。
研究团队及项目资助
本研究由合肥工业大学、麻省理工学院、瑞士联邦水科学与技术研究所和中国农业大学合作完成，合肥工业大学陈国炜副教授为论文第一作者，中国农业大学王钢教授为通讯作者。相关研究结果“Electrotaxis-mediated cell motility and nutrient availability determine Chlamydomonas microsphaera-surface interactions in bioelectrochemical systems”为题发表在国际知名SCI期刊《Bioelectrochemistry》，doi.org/10.1016/j.bioelechem.2021.107989 .
本研究得到国家自然科学基金(41877412)、中央高校专项基金“中国农业大学 2115人才培育发展支持计划”(00109012)，教育部外国文教专家基金“黑土地现代农业与土地保护关键技术研究与展”(00100702)等项目的资助。
本文转载自国家水生生物种质库淡水藻种库微信公众号
