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Insight into the microbial community and its succession of a coupling anaerobic-aerobic biofilm on semi-suspended bio-carriers
半懸浮生物載體上耦合厭氧-好氧生物膜的微生物群落及其演替的深入洞察
來源：Bioresource Technology, Volume 247, 2018, Pages 591-598
《生物資源技術》第247卷，2018年，第591-598頁
摘要
本研究旨在通過在單一生物反應器中建立耦合厭氧-好氧生物膜，并揭示其微生物群落及演替。利用3D打印技術制備的半懸浮生物載體，在生物膜內逐漸形成明顯的溶解氧（DO）梯度，表明在生物載體表面成功建立了耦合厭氧-好氧生物膜。宏基因組分析結果顯示，生物載體上的微生物群落隨運行時間在結構和優勢物種上經歷連續演替。形成的耦合生物膜為微生物（包括硝化和反硝化細菌）共存創造了合適的微多生境，有利于有機污染物去除和營養物轉化。隨著演替，微生物群落逐漸由幾種功能微生物主導。總體而言，結果展示了通過構建新型生物載體結構和漂浮狀態來提高微生物多樣性的方法。
研究目的
本研究旨在建立單反應器內的耦合厭氧-好氧生物膜，揭示其微生物群落組成和演替過程，評估半懸浮生物載體在促進生物多樣性和污染物處理性能方面的作用。
研究思路
研究思路包括：首先，使用3D打印技術制備半懸浮生物載體，并在矩形生物反應器中啟動實驗，接種活性污泥；其次，通過監測溶解氧梯度和水質指標（如COD、TN、TP、NH3-N、NO2-N、NO3-N），評估反應器性能；然后，在不同時間點采集生物膜樣品，利用高通量測序（HTS）分析微生物群落結構和多樣性；最后，通過統計和比較分析，揭示微生物群落的演替規律和功能微生物的變化。
測量的數據及研究意義
1 溶解氧（DO）梯度數據，來自圖1（a、b、c），顯示區域A（低曝氣）和區域B（高曝氣）的DO濃度及生物膜內DO剖面。研究意義是直接證實耦合厭氧-好氧環境的形成，DO梯度創建了多生境，支持微生物多樣性，為理解生物膜功能提供物理化學基礎。
2 微生物群落相似性和差異數據，來自圖2（Venn圖）和圖3（加權uni-frac beta多樣性），顯示不同時間和區域的OTU共享與獨特性。研究意義是揭示微生物群落隨時間和空間的動態變化，區域B的獨有OTU數量更高，表明曝氣條件影響群落結構，指導反應器優化。
3 生物多樣性指數數據，來自表1，包括OTU數量、Shannon指數、ACE指數、Chao1指數和Simpson指數。研究意義是量化群落豐富度和均勻度，顯示生物多樣性先增后減，區域B多樣性更高，關聯污染物去除性能，支持生物多樣性-功能穩定性理論。
4 微生物組成數據，來自圖4（a、b、c），顯示門、綱和屬水平的相對豐度，如Proteobacteria（主導門）、Gamma-Proteobacteria（主導綱）及Candidatus_Saccharimonas、Thiothrix等優勢屬。研究意義是識別功能微生物（如硝化、反硝化細菌），證實多生境促進共存，演替后期功能屬（如Klebsiella、Variovorax）主導，增強處理效率。
5 AOB和NOB相對豐度數據，來自圖5，顯示氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）隨時間的變化。研究意義是揭示氮轉化功能微生物的動態，AOB和NOB在中期（約40天）豐度最高，與TN去除趨勢一致，指導硝化過程優化。
結論
1 成功在半懸浮生物載體上建立耦合厭氧-好氧生物膜，形成DO梯度，促進微生物多樣性和污染物去除性能。
2 微生物群落經歷顯著演替，后期由功能微生物（如硝化、反硝化細菌）主導，增強系統穩定性。
3 半懸浮生物載體通過創建多生境，支持多種微生物共存，為改進生物膜工藝提供新策略。
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
使用丹麥Unisense微電極系統（包括OX25氧探頭和MM33-Z8140三維微電極推進器）測量生物膜內溶解氧（DO）剖面數據，其研究意義在于能夠以高空間分辨率（步進精度10μm）原位監測DO梯度的微尺度變化，直接驗證耦合厭氧-好氧環境的形成。具體地，數據（圖1b、c）顯示DO在生物膜內快速下降，區域A和B的穿透距離分別為250-470μm和550μm，證實了質量傳遞阻力導致的氧梯度，創建了從好氧到厭氧的多生境。這為微生物共存（如硝化菌好氧層、反硝化菌厭氧層）提供了物理證據，支持生物多樣性增強和功能優化。此外，DO剖面隨時間變化（如區域A的DO從1.8 mg/L降至0.2 mg/L），揭示了運行條件對微環境的影響，為工藝調控（如曝氣率調整）提供了關鍵參數，提升了生物膜反應器的設計和性能預測能力。