微藻因其生长迅速、脂含量高,且兼具污水处理和CO2减排等优点,被视为极具发展潜力的第三代生物质能。微藻生物膜式培养技术具有水耗小、易收获和能耗低等优点,近来备受关注。微藻生物膜式培养涉及生物膜形成和生长等环节,影响因素众多,机制复杂。本文针对生物膜形成初期的细胞粘附过程,提出了一种通过判定粘附过程主导作用预测细胞粘附行为的模型,结合平行层流粘附实验平台,分析了培养液性质对生物膜形成的影响机制;搭建了微藻生物膜式培养系统,研究了光和CO2供给条件对微藻生长的影响,探讨了微藻生物膜结构微观特性和不同因素对生物膜结构的影响规律。针对生物膜形成初期的细胞粘附现象,建立了细胞粘附预判模型。该模型首先通过比较细胞与材料表面电子供体(γmv-、γsv-)和Zeta电位(ζm、ζs)来确定粘附过程主导力,再基于主导力来判定粘附趋势:酸碱基作用力(AB)主导时,粘附量随(?)增加而减少;静电作用力(EL)主导时,粘附量随(ζm+ζs)2增加而减少。采用自行搭建的平行板流动微室实验系统,观测了 6种微生物细胞在5种基材表面的粘附情况,根据实验结果及文献中的粘附数据,验证了该模型。结合所建模型与粘附实验结果,进一步明晰了培养液性质(pH值、离子浓度、表面张力)对生物膜形成的影响机制:当EL力主导时,培养液pH值与离子浓度会通过改变细胞与材料表面Zeta电位及双电层厚度,来影响生物膜的形成;AB力主导时,pH值与离子浓度会通过改变细胞表面官能团的表达,来影响生物膜形成;培养液表面张力约等于细胞表面能与材料表面能平均值时,形成的生物膜密度最小。设计搭建了微藻生物膜式培养系统,实验研究了光谱、光强、光暗循环、CO2浓度和流量等关键因素对四种能源微藻生长(生物量、光合能力、胞内物质、CO2固定等)的影响规律。结果表明,蓝光和红光在促进生物膜生长方面优于白光和绿光,蓝光能提升细胞油脂量,红光能促进碳水化合物合成,蓝光下能量-油脂转换能力和CO2固定速率最高;秒级光暗循环(3:3 s、5:5 s)能促进生物量产量和油脂含量的提升;随光强增长,微绿球藻生物量、光合能力及CO2固定速率先增长后降低,200 μmol/m2s时达峰值;CO2流量为0.3VVM,浓度为0.5%时,海水小球藻生物量及细胞光合能力达峰值。为探索生物膜微观结构对生物膜内物质传递的影响机制,对微藻生物膜结构进行了实验观测和理论分析。采用激光共聚焦等实验技术观测了微藻生物膜内部微观结构,结合表面热力学理论分析生物膜内部细胞间相互作用,建立了细胞表面能与生物膜结构的关联关系:具有低表面能(40～50mJ/m2)的微藻细胞,由于细胞间粘附功较低,易形成有大量孔洞的生物膜(孔隙率>20%);高表面能(50～65 mJ/m2)的细胞,由于细胞间粘附功较大,易形成低孔隙率(<20%)均匀平坦的生物膜。结合不同光照及CO2供给条件条件下生物膜微观结构的实验观测结果,进一步探讨了培养条件、细胞间作用与生物膜结构之间的影响机制:白光培养下,细胞间粘附功较低,生物膜孔隙率和粗糙度均较高;蓝光和红光下,细胞间粘附功较高,生物膜孔隙率和粗糙度均较低;CO2供给条件对微藻细胞界面性质及生物膜结构影响较小。本文工作为预测细胞粘附现象提供了新的理论工具,对微藻生物膜式培养体系的传输机制解析和系统优化设计具有理论指导和借鉴意义。