Effects of dissolved oxygen on microbial community of single-stage autotrophic nitrogen removal system treating simulating mature landfill leachate

溶解氧對模擬成熟垃圾滲濾液單級自養脫氮系統微生物群落的影響

來源：Bioresource Technology 218 (2016) 962–968

 

一、論文摘要

本研究系統地探討了溶解氧濃度對處理模擬高齡垃圾滲濾液（高氨氮、低C/N比）的單級自養脫氮系統的性能和微生物群落的決定性影響。研究在四個平行的序批式生物膜反應器中展開，通過精確控制DO濃度（1.0, 2.0, 2.7, 3.5 mg/L），發現2.7 mg/L為最優DO濃度，在此條件下可長期實現總氮去除率高于90%。研究綜合運用了微電極技術來刻畫生物膜內部的微環境（氧化還原電位ORP剖面），并采用高通量測序和變性梯度凝膠電泳分析了不同DO濃度及反應器內不同位置下的微生物群落結構變化。關鍵發現包括：在最優條件下，氨氧化菌與厭氧氨氧化菌的比例約為4:7，形成了高效的協同作用；微電極測量揭示了生物膜內部從好氧到厭氧的分層結構，這是單級系統成功的關鍵；DO濃度過高（3.5 mg/L）會抑制厭氧氨氧化菌，導致脫氮效率下降。

 

二、研究目的

本研究的主要目的是深入理解溶解氧這一關鍵操作參數如何調控單級自養脫氮系統的整體效能，其具體目標包括：

 

確定最優DO操作窗口：通過實驗確定能夠使單級局部硝化-厭氧氨氧化系統實現最高總氮去除效率的溶解氧濃度范圍。

揭示DO影響效能的微環境機制：利用微電極技術直接探測生物膜內部，闡明DO濃度如何影響生物膜內部的氧化還原電位梯度，從而塑造好氧/厭氧微環境。

 

闡明DO對微生物群落的調控作用：在分子水平上，分析不同DO濃度如何影響功能微生物（特別是AOB和AAOB）的群落結構、豐度及空間分布，將宏觀性能與微觀生態關聯起來。

 

三、研究思路

研究采用了 “控制變量 -> 多維度監測 -> 關聯分析”的嚴謹思路：

 

平行反應器設置：建立四個完全相同的序批式生物膜反應器，在其他操作條件（溫度、pH、基質等）完全一致的前提下，唯一改變溶解氧濃度（1.0, 2.0, 2.7, 3.5 mg/L），以隔離DO的單一效應。

系統性能監測：長期監測各反應器的出水水質，包括氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和總氮濃度，計算去除率，評估整體脫氮效能。

微環境原位探測：從各反應器采集生物膜樣品，使用丹麥Unisense氧化還原電位微電極，以高空間分辨率（每500μm）測量并繪制生物膜從表面到內部的ORP剖面曲線，直觀展示微環境結構。

微生物群落解析：

 

全局分析：對在不同DO濃度下運行的反應器中的污泥進行16S rRNA高通量測序，在門、屬水平上分析微生物群落組成的差異。

 

局部差異分析：在同一反應器內的不同高度（15cm, 25cm, 35cm）取樣，通過DGGE技術分析微生物群落是否因距離曝氣源的位置不同而存在細微差異。

 

四、測量數據、研究意義及來源

研究者測量了多個層面的數據，其意義和來源如下：

 

系統脫氮性能：監測不同DO濃度下反應器的氨氮去除率和總氮去除率。

 

研究意義：這是評估DO影響的核心績效指標。數據清晰顯示，脫氮效率隨DO升高先增后降，在2.7 mg/L時達到峰值（文檔圖1）。這直接證明了存在一個最優DO操作區間，過低則AOB活性不足，過高則抑制AAOB并引發硝化菌競爭。

 

 

數據來源：不同DO濃度下反應器的氨氮和總氮去除效率對比展示在 文檔圖1中。一個運行周期內各形態氮濃度的變化展示在 文檔圖2中。

 

生物膜內部ORP微剖面：使用ORP微電極測量生物膜從表層到內部的氧化還原電位。

 

研究意義：這提供了理解單級系統如何運作的“內部視角”。剖面圖顯示，即使在好氧條件下，生物膜內部也能形成氧化還原電位梯度，從而在空間上分離AOB（好氧表層）和AAOB（厭氧內層）的活性位點（文檔圖3）。DO濃度直接決定了好氧層厚度和厭氧層的“深度”與“厭氧程度”，從而調控兩類菌的平衡。

 

數據來源：從不同DO濃度反應器中取樣的生物膜內部ORP隨深度變化的剖面圖展示在 文檔圖3中。

 

微生物群落組成：通過高通量測序分析不同DO濃度下污泥樣本的微生物分類學組成。

 

研究意義：從物種層面揭示了DO對功能菌群的篩選作用。數據顯示，在最優DO（2.7 mg/L）下，AOB（以 Nitrosomonas europaea為主）和AAOB（以 Xanthomonas campestris和 Ignavibacterium album為主）的比例維持在約4:7的最佳平衡（文檔圖4a, 4b）。當DO偏離此值，兩者比例失衡，直接解釋了性能下降的生物學原因。

 

數據來源：在門水平和物種水平上的微生物群落相對豐度圖展示在 文檔圖4a和4b中。物種積累曲線（Rarefaction curve）展示在 文檔圖4c中，表明測序深度足夠。

 

反應器內群落空間異質性：通過DGGE分析同一反應器不同高度位置的微生物群落。

 

研究意義：評估了反應器內部的混合均勻程度及微環境的空間差異。DGGE圖譜顯示，雖然優勢菌群在不同高度相似，但存在條帶的細微差異（文檔圖5）。這表明由于曝氣不均和傳質限制，反應器內部不同位置存在著微環境差異，從而導致了微生物群落的微小空間分異。

 

數據來源：從反應器不同高度取樣污泥的DGGE圖譜對比展示在 文檔圖5中。

 

五、研究結論

 

DO是單級自養脫氮系統的關鍵調控因子：證實存在一個最優DO濃度（2.7 mg/L），在此條件下可實現穩定高效（>90%）的總氮去除。DO通過控制底物（亞硝酸鹽）的生成和抑制效應，直接調控著AOB和AAOB的生態平衡。

生物膜內部微環境是成功的關鍵：微電極測量證實，在最優DO下，生物膜內部能形成良好的好氧-缺氧-厭氧分層結構。這種空間上的功能分區使得相互矛盾的生化反應（好氧氨氧化和厭氧氨氧化）能在同一反應器、同一生物膜內協同進行。

微生物群落對DO響應敏感：高通量測序表明，DO濃度對功能微生物的豐度和比例有強烈的篩選作用。最佳性能對應著AOB與AAOB約為4:7的特定群落結構。DO偏離最優值會打破這種平衡，導致性能惡化。

 

系統內部存在微尺度異質性：DGGE結果證明，即使在同一反應器內，由于流體力學和傳質，微生物群落并非完全均一，存在細微的空間結構，這在設計和放大過程中需要考慮。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳解

在本研究中，丹麥Unisense氧化還原電位（ORP）微電極被用于高空間分辨率地直接測量生物膜樣品內部的氧化還原電位剖面。

其研究意義至關重要，是連接宏觀DO控制與微觀生態機制的“橋梁”，主要體現在以下幾個方面：

 

首次直接可視化了單級系統的微觀工作機理：在單級自養脫氮概念提出后，一個核心問題是好氧和厭氧過程如何在一個曝氣反應器中共存。Unisense ORP微電極提供的高分辨率空間剖面（如文檔圖3所示），就像一臺“顯微CT”，直接測繪出氧氣在生物膜中的滲透深度以及隨之形成的ORP梯度。數據顯示，在DO=2.7 mg/L的曝氣條件下，生物膜表層ORP為-2.8 mV（適宜AOB），而在深度4mm處ORP降至-166.8 mV（形成厭氧區，適宜AAOB）。這一直觀證據無可辯駁地證明了“生物膜內部微環境分區”假說，從物理學和化學角度解釋了單級工藝的可行性。

定量揭示了DO濃度對微環境的調控規律：Unisense微電極的精確測量（每500μm一個數據點）使得定量比較不同DO條件下的微環境成為可能。研究發現，隨著主體液相DO從1.0 mg/L升高至3.5 mg/L，生物膜表層的ORP從-25.3 mV升至25.2 mV，且氧的滲透深度增加。這定量地說明了DO如何通過改變邊界條件來“雕刻”生物膜內部的微環境：DO過低，好氧層太薄，AOB活性區不足；DO過高，氧氣侵入過深，壓縮甚至破壞了AAOB所需的厭氧區。這為“最優DO”提供了深刻的機制性解釋。

將操作參數與微生物生態位直接關聯：通過將Unisense測得的ORP剖面與高通量測序分析出的微生物群落空間分布（推論）相結合，研究成功地將宏觀操作參數（DO）、微環境物理化學條件（ORP）和微生物功能群落的生態位（AOB在表層，AAOB在內部）聯系了起來。這使得調控DO不再是“黑箱”操作，而是變成了一種有目的性地為目標功能菌群營造和優化其所需生存環境的科學手段。

 

為工藝優化與故障診斷提供了關鍵工具：Unisense微電極揭示的微環境信息具有重要的實踐意義。通過監測生物膜內部的ORP剖面，操作者可以判斷當前DO條件是否真正在生物膜內部形成了理想的AOB/AAOB分區。例如，如果發現厭氧區過小或消失，即可預警AAOB可能受到抑制，并及時調低DO，避免系統崩潰。因此，它不僅是一個研究工具，更是一個潛在的高級過程監控和診斷工具。

 

總結：丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了 “微觀世界的眼睛”的角色。它提供的高空間分辨率的ORP剖面數據，將“溶解氧控制”從一個宏觀的、經驗性的操作參數，轉變為一個可以從微米尺度進行理解和精確調控的科學變量。沒有Unisense微電極的直接證據，我們對單級自養脫氮的理解將停留在假設和間接推論層面。正是這些精密的原位測量數據，使我們能夠清晰地“看到”生物膜內部發生的物理化學過程，從而真正理解了DO如何通過塑造微環境來調控微生物群落，最終決定整個系統性能的內在邏輯。這凸顯了先進傳感技術在現代環境微生物學和工藝優化研究中不可或缺的價值。