Evaluation of the impact of dissolved oxygen concentration on biofilm microbial community in sequencing batch biofilm reactor

溶解氧濃度對序批式生物膜反應(yīng)器中生物膜微生物群落影響的評估

來源：Journal of Bioscience and Bioengineering, Volume 125, Issue 5, 2018, Pages 532-542

《生物科學(xué)與生物工程雜志》，第125卷第5期，2018年，第532-542頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究在序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）中調(diào)查了溶解氧濃度（DO）對同步硝化反硝化（SND）過程中生物膜微生物群落的影響。實(shí)驗(yàn)在不同DO濃度（1.5、3.5和4.5 mg/L）下進(jìn)行，評估氮去除率和細(xì)菌群落變化。當(dāng)DO為2.5 mg/L時(shí)，SND率最高達(dá)95.22%，化學(xué)需氧量（COD）和氮去除率分別為92.22%和84.15%。反硝化過程隨氧濃度增加而受抑制。微電極測量顯示，DO濃度從1.5 mg/L增至5.5 mg/L時(shí)，氧滲透厚度從1.0 mm增至2.7 mm。高通量測序分析表明，生物膜群落結(jié)構(gòu)相似，以Uliginosibacterium、Zoogloea和Acinetobacter為主。好氧層以Betaproteobacteria和Saprospirae為主，厭氧層以Anaerolineae為主。實(shí)時(shí)PCR顯示氨氧化細(xì)菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）數(shù)量與Nitrospirales和Nitrosomonadales豐度匹配。研究表明DO濃度顯著影響SND系統(tǒng)中關(guān)鍵細(xì)菌群落的動(dòng)態(tài)。

 

研究目的

研究目的是量化不同DO濃度下SBBR生物膜的微環(huán)境變化，明確DO對生物膜內(nèi)好氧和厭氧層定位的影響，并探討DO濃度如何調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)及其與氮去除效率的關(guān)系，為優(yōu)化SND工藝提供理論依據(jù)。

 

研究思路

研究思路基于在SBBR中培養(yǎng)生物膜，通過調(diào)控曝氣設(shè)置三個(gè)階段（DO 1.5、3.5和4.5 mg/L）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用合成廢水模擬實(shí)際條件，監(jiān)測COD、氮化合物濃度變化。利用微電極系統(tǒng)測量生物膜內(nèi)DO剖面，確定好氧和厭氧層位置。采集不同層樣本（好氧層、傳質(zhì)邊界層、厭氧層），通過DNA提取、高通量測序和實(shí)時(shí)PCR分析微生物群落組成和數(shù)量。結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)和微生物結(jié)果，評估DO對SND性能的影響機(jī)制。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)：氮濃度變化和SND率，來自Fig.3。研究意義：Fig.3a和Fig.3b顯示不同DO階段下進(jìn)水出水氮濃度及去除效率，表明DO 3.5 mg/L時(shí)SND率最高（96%），證實(shí)DO調(diào)控能優(yōu)化硝化和反硝化平衡，為反應(yīng)器操作提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

 

2 數(shù)據(jù)：DO微電極剖面和好氧區(qū)比例，來自Fig.4。研究意義：Fig.4a顯示DO濃度增加導(dǎo)致氧滲透厚度增加（1.0-2.7 mm），F(xiàn)ig.4b表明好氧區(qū)比例從23.3%增至83.3%，直接揭示DO擴(kuò)散如何影響生物膜分層，為理解微生物空間分布提供基礎(chǔ)。

 

3 數(shù)據(jù)：AOB和NOB數(shù)量變化，來自Fig.5。研究意義：Fig.5a-c通過實(shí)時(shí)PCR顯示總細(xì)菌、AOB和NOB的拷貝數(shù)，DO 3.5 mg/L時(shí)AOB數(shù)量最高，表明中等DO促進(jìn)硝化細(xì)菌生長，鏈接到SND效率提升，指導(dǎo)菌群調(diào)控策略。

 

4 數(shù)據(jù)：微生物群落組成在門和綱水平分布，來自Fig.6和Table 4。研究意義：Fig.6展示不同DO下群落相對豐度，好氧層Betaproteobacteria占主導(dǎo)，厭氧層Anaerolineae增多，Table 4列出屬水平細(xì)節(jié)（如Uliginosibacterium豐度最高），證實(shí)DO驅(qū)動(dòng)群落演替，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

 

5 數(shù)據(jù)：生態(tài)多樣性指數(shù)（如Shannon指數(shù)、Chao1），來自Table 3。研究意義：Table 3提供OTU數(shù)量和多樣性指標(biāo)，顯示厭氧層多樣性最高，表明低DO促進(jìn)物種豐富度，有助于評估生物膜抗逆性。

 

 

結(jié)論

1 DO濃度顯著影響SND效率，最佳DO為3.5 mg/L時(shí)，氮去除率達(dá)84.15%，SND率96%，過高或過低DO均抑制性能。

2 生物膜內(nèi)好氧區(qū)厚度隨DO增加而擴(kuò)大，微電極測量確認(rèn)分層結(jié)構(gòu)，好氧區(qū)比例從23.3%增至83.3%，直接調(diào)控微生物空間分布。

3 微生物群落以Uliginosibacterium、Zoogloea和Acinetobacter為主，DO變化驅(qū)動(dòng)群落演替，好氧層Betaproteobacteria和厭氧層Anaerolineae占優(yōu)，證實(shí)DO是關(guān)鍵環(huán)境因子。

4 實(shí)時(shí)PCR顯示AOB和NOB數(shù)量與DO相關(guān)，中等DO促進(jìn)硝化細(xì)菌生長，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，為工藝優(yōu)化提供微生物學(xué)依據(jù)。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義在于，該微電極系統(tǒng)（如OX-N型）通過高精度自動(dòng)化測量生物膜內(nèi)DO剖面，實(shí)現(xiàn)了對微環(huán)境的空間解析。在本文中，微電極用于確定氧滲透深度和好氧/厭氧層邊界（Fig.4），步驟大小設(shè)為100μm，數(shù)據(jù)采集由軟件控制，確保準(zhǔn)確性。這種測量意義在于：首先，它直接量化了DO擴(kuò)散限制，例如DO從1.5 mg/L增至5.5 mg/L時(shí)，氧滲透厚度從1.0 mm增至2.7 mm，揭示了好氧區(qū)比例變化（23.3%-83.3%），這解釋了為何DO 3.5 mg/L時(shí)SND效率最高——因?yàn)橹械菵O平衡了硝化（需氧）和反硝化（厭氧）空間。其次，微電極數(shù)據(jù)指導(dǎo)了樣本采集位置（如好氧層500μm深度），使高通量測序和實(shí)時(shí)PCR能針對性地分析層特異性群落，避免了傳統(tǒng)方法的盲目性。最后，該技術(shù)證實(shí)了生物膜異質(zhì)性，支持了SND機(jī)理研究，如質(zhì)量傳輸與微生物活動(dòng)的耦合，為廢水處理中DO調(diào)控提供了可靠工具。總之，Unisense電極數(shù)據(jù)將物理微環(huán)境與生物學(xué)響應(yīng)鏈接，提升了我們對生物膜過程的理解。