由于化石燃料的过度利用,人类面临着能源枯竭与气候变暖的双重危机,世界各国致力于寻找一种清洁、高效、环境友好型的可再生能源,而微藻通过光合作用可将CO₂转化为有机生物质,具有生长速率快、光合效率高、油脂积累多和环境适宜性强等诸多优点,因此,以微藻为主的第三代生物燃料被认为是一种极具潜力的替代能源。微藻能源化利用的前提是实现生物质的大规模培养,与悬浮式微藻培养相比,生物膜培养系统由于耗水少,运行稳定,生物质密度高以及采收能耗低,得到了广泛的应用。生物膜是微藻细胞在范德华力、静电力及胞外聚合物粘附力等作用下吸附于载体表面经过生长繁殖形成成熟的群落,涉及多种生化反应与物质传递等关键过程,已有研究表明生物膜培养方式虽然可以高度集中生物质,但在生长后期,随着细胞的持续累积,生物膜厚度增加,有效光穿透能力降低,生物膜底层细胞活性较差,导致生物膜脱落,生物量明显减少,且油脂含量很低,为了克服上述缺点,一种新型的同步光合自养-异养微藻生物膜培养方式一时兴起。然而,目前微藻生物膜以光合自养-异养同步生长的作用机理尚不清晰,反应机制尚不明确,数学模型研究匮乏,无法针对性地对其进行生长调控,因此,研究微藻生物膜的生长特性,建立生物膜生长动力学模型,并在此基础上进行生长过程的强化和调控尤为重要。本文以微藻生物膜同步光合自养-异养培养技术为背景,立足于强化微藻生物膜内的物质传递和生化转化过程,首先,明确了微藻生物膜生长的主要影响因素（光强、CO₂、葡萄糖和硝酸盐）,针对每一个影响因素,设置了一系列的浓度梯度动力学实验,在充分了解微藻生物膜生长特性的基础上构建了综合多因子生长动力学模型,同时,针对底物消耗建立了吸收动力学模型。然后,基于微藻生物膜生长动力学的研究结果,提出了微藻生物膜培养液中关键营养物质的优化调控方案,主要研究了不同碳/氮源、无机碳与有机碳摩尔比及总碳与总氮摩尔比对微藻生物膜生长的影响,此外,通过不同光照测试实验对同步光合自养-异养微藻生物膜与单纯光合自养生物膜的光穿透能力进行了对比。最后,基于丹麦Unisense微电极测试技术对微藻生物膜内的微观特征参数的分布情况进行了检测,并通过调控葡萄糖利用方式和气相环境中CO₂与O₂体积比来进一步优化微藻生长。主要研究成果如下:（1）利用单因素梯度浓度的营养物质对微藻生物膜进行培养时,发现微藻生物膜的最大生物质密度随着底物浓度的增加而增加,直至达到饱和生长点,超过饱和点之后,生物质密度不再明显增加,然后,基于微藻的生长动力学特性研究构建了生物膜的多因子生长动力学模型,该模型能够精准地评估和预测微藻生物膜生长系统的生产潜能,其吻合度高达0.99,此外,通过研究微藻生物膜对营养底物的消耗情况建立了吸收动力学模型,获得了反应速率常数和半饱和常数等动力学参数。（2）与光合自养微藻生物膜相比,同步光合自养-异养微藻生物膜的光穿透能力更强,提高了64%,同时,获得了优化后的营养物质组合,当总无机碳与总有机碳的摩尔比为20:1,总碳与总氮摩尔比为72:1时,藻细胞的比生长速率比优化前提高了78%,油脂含量与产量为47.53%和41.95 g m^-2,分别提高了120%和147%。此外,同步光合自养-异养微藻生物膜内结构更疏松、孔隙率更高,有利于气体与营养物质的转化与利用。（3）同步光合自养-异养微藻生物膜内pH值为7.6左右,呈中性,溶解氧浓度约为8.3 mg L^-1,且溶解氧浓度随培养时间的增加先增大后降低。之后通过对微藻生物膜生长环境进行调控发现,在同等葡萄糖用量下,涂抹法培养的生物膜中异养生长作用更强,可使油脂含量提高32%,当CO₂与O₂体积比为1:1时,就已满足同步光合自养-异养微藻生物膜的正常生长需求,其最大生物质密度与油脂含量分别为89.43 g m^-2和36.68%。