一种用于量化藻菌生物膜内部碳循环效率的双层扩散反应模型

《Scientific Reports》：A two-layer diffusion-reaction model for quantifying internal carbon loop efficiency in algal-bacterial biofilms

　　摘要藻-菌生物膜充当分层微生态系统，其中光合产氧与异养呼吸通过反向扩散的 O?-CO? 传质过程相耦合。量化这一内部碳循环对于设计碳中和及高效节能的废水处理系统至关重要。本研究建立了一种机理性双层扩散-反应模型，代表一个外层光养层（CO?被同化、O?被产生）和一个内层异养层（O?被消耗、CO?被释放）。通过求解稳态质量守恒方程并结合界面通量连续性条件，获得生物膜内耦合的 O? 和 CO? 分布曲线。本研究引入了一种新的无量纲碳循环效率指数（Carbon Loop Efficiency Index, CLEI），基于界面气体通量来量化光合-呼吸耦合程度。按其定义，CLEI = 0 表示无内部 CO? 回收的碳正释放状态，CLEI = 1 表示完全闭环及碳中和操作，CLEI > 1 则表示在建模条件下 CO? 同化量超过内部生成 CO? 量的潜在碳负排放状态。模型结果表明，在本研究所考虑的经校验参数范围内，CLEI 仅在由适中的总生物膜厚度（约 300–500 μm）所表征的受限设计窗口内趋近于1，此时氧气与二氧化碳的传质通过耦合的扩散-反应过程达到平衡。较薄的生物膜受碳限制（CLEI > 1），而较厚的生物膜则产生氧扩散限制（CLEI < 1），从而阻碍了完整闭环的实现。较薄的生物膜受碳限制（CLEI > 1），而较厚的生物膜则产生氧扩散限制（CLEI < 1），从而阻碍了完整闭环的实现。该框架展示了分层藻-菌生物膜如何通过传质控制的耦合机制实现自给供氧和内在的 CO? 减排，并为碳中和乃至潜在碳负排放的废水处理系统和光生物反应器的理性设计提供了机理基础。