Insight into the microbial community and its succession of a coupling anaerobic-aerobic biofilm on semi-suspended bio-carriers

深入了解微生物群落及其耦合厭氧-好氧生物膜的半懸浮生物載體

來源：Bioresource Technology 247 (2018) 591–598

 

論文摘要總結

本文研究旨在通過3D打印技術制備的半懸浮生物載體，在單一生物反應器中構建耦合厭氧-好氧生物膜，并深入解析其微生物群落結構及演替規律。研究發現，半懸浮載體表面形成了明顯的溶解氧（DO）梯度，成功實現了厭氧和好氧微環境的耦合。宏基因組分析表明，微生物群落隨運行時間（19-61天）發生連續演替，優勢菌群從初始的混合態逐漸轉向功能化（如硝化/反硝化細菌）。耦合生物膜為多種微生物提供了多生境共存條件，顯著提升了污染物去除效率（COD、TN、TP去除率穩定在85%以上）。該研究為通過載體結構創新增強微生物多樣性提供了新策略。

 

研究目的

 

構建新型生物膜系統：利用半懸浮生物載體（一端固定、一端自由運動）在單一反應器內實現厭氧-好氧耦合環境，克服傳統固定式載體易堵塞和懸浮載體生物膜形成難的缺陷。

解析微生物群落動態：通過高通量測序（16S rRNA）揭示生物膜微生物群落的組成、多樣性及隨時間演替的規律。

評估環境梯度效應：探究DO梯度對微生物空間分布和功能的影響，驗證多生境對生物多樣性的促進作用。

 

優化污水處理工藝：為基于生物膜的污水處理系統提供載體設計和微生物調控的理論依據。

 

研究思路

研究遵循"載體設計-系統構建-監測分析-機制驗證"的邏輯鏈：

 

載體創新：采用3D打印技術制備紡錘形半懸浮生物載體，通過一端固定實現均勻分布，另一端自由運動增強傳質。

反應器運行：在矩形生物反應器中分區設置不同曝氣強度（A區低曝氣、B區高曝氣），連續運行100天，接種市政污水廠活性污泥。

環境參數監測：使用丹麥Unisense氧微電極系統實時測量bulk solution和生物膜內的DO梯度（圖1），結合水質指標（COD、TN、TP、NH?-N等）評估系統性能。

微生物群落分析：在不同時間點（19、26、36、47、61天）采集A/B區生物膜樣本，通過Illumina MiSeq平臺進行16S rRNA測序，利用MOTHUR軟件進行OTU聚類和多樣性分析（α多樣性指數、PCoAβ多樣性等）。

 

數據關聯：將DO梯度數據與微生物群落結構（門、綱、屬水平豐度）關聯，揭示環境因子對菌群演替的驅動機制。

 

測量數據及研究意義

 

DO梯度數據（來自圖1）：

 

數據內容：A區DO濃度從初始1.8 mg/L降至0.2 mg/L（60天），生物膜內DO穿透距離從470μm縮至250μm；B區DO穩定在2.5-3.0 mg/L，穿透距離約550μm。

 

研究意義：直接證實生物膜內存在厭氧（深層）-好氧（表層）梯度，為厭氧氨氧化、反硝化等過程提供微環境；DO梯度差異是驅動A/B區微生物群落分化的關鍵因素。

 

微生物相似性與差異性數據（來自圖2和圖3）：

 

 

數據內容：Venn圖顯示A區樣本共享OTU為227，獨有OTU最高達1397（S36A）；B區共享OTU為216，獨有OTU最高達1622（S26B）。PCoA分析表明隨運行時間延長，A/B區樣本間距離顯著增大（圖3）。

 

研究意義：獨有OTU數量遠高于共享OTU，說明載體微環境促進菌群分化；時間推移加劇群落異質性，驗證多生境對微生物多樣性的增強作用。

 

多樣性指數數據（來自表1）：

 

數據內容：Shannon指數在A區從5.65（S19A）升至6.42（S36A）后降至4.87（S61A）；B區從6.09（S19B）升至6.25（S36B）后降至5.19（S61B）。ACE和Chao1指數顯示類似先增后降趨勢。

 

研究意義：生物多樣性隨生物膜成熟先升后降，反映群落從定殖、競爭到穩定的演替過程；B區多樣性始終高于A區，表明較高DO環境更利于菌群共存。

 

微生物組成數據（來自圖4）：

 

數據內容：Proteobacteria為優勢門（A區從61.1%增至82.5%，B區從60.8%增至67.9%）；屬水平上Candidatus_Saccharimonas（TM7門）在早期主導（S19A: 6.1%），后期被Klebsiella（S61A: 15.6%）和Variovorax（S47A: 17.0%）替代。

 

研究意義：Proteobacteria的高黏附性利于載體定殖；功能菌演替（如反硝化菌Variovorax）與污染物去除效率提升直接相關，證實群落功能定向優化。

 

功能菌群數據（來自圖5）：

 

數據內容：AOB（氨氧化菌）和NOB（亞硝酸鹽氧化菌）在30天時豐度最高（A區AOB 1.58%，NOB 0.36%），47天后下降；B區AOB豐度始終高于A區。

 

研究意義：AOB/NOB動態變化與TN去除率吻合（支持信息），揭示硝化過程的關鍵菌群基礎；DO梯度差異導致A/B區硝化菌分布不對稱，優化了氮去除路徑。

 

結論

 

載體有效性：半懸浮生物載體成功構建耦合厭氧-好氧生物膜，DO梯度（250-550μm穿透深度）是形成多生境的核心機制。

群落演替規律：微生物群落經歷"定殖-競爭-穩定"三階段演替，后期由功能菌（如Klebsiella、Nitrosomonas）主導，多樣性雖略有下降但功能強化。

性能關聯：高多樣性群落提升系統抗沖擊負荷能力，COD和TN去除率分別達90%和85%以上。

 

應用前景：半懸浮載體設計結合DO梯度調控，為高負荷污水處理提供了新型生物膜反應器方案。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的意義

丹麥Unisense氧微電極在本研究中用于高分辨率監測溶解氧梯度，其數據意義如下：

 

直接驗證耦合微環境形成：

 

技術原理：微電極通過Clark電極原理以10μm步進精度測量生物膜內DO濃度（圖1b、1c），避免傳統宏觀測量的空間平均誤差。

關鍵數據：生物膜表層DO接近bulk solution（A區0.2-1.8 mg/L，B區2.5-3.0 mg/L），深層（>250μm）降至<0.1 mg/L，形成厭氧區。

 

研究意義：首次在半懸浮載體上直接證實DO梯度存在，為"單反應器內耦合厭氧-好氧過程"提供實驗證據；梯度深度差異（A區250μm vs B區550μm）解釋了菌群空間分異。

 

量化傳質限制效應：

 

動態變化：運行60天后，A區DO穿透距離從470μm縮至250μm（圖1b），與生物膜增厚導致的傳質阻力增加一致。

 

機制闡釋：DO梯度斜率變化反映生物膜密度和活性的時空演變，為模型擬合傳質系數提供關鍵參數；穿透距離縮短提示深層厭氧區擴大，利于反硝化等厭氧過程。

 

關聯微生物群落分布：

 

數據關聯：DO梯度與微生物組成數據（圖4）高度耦合——A區低DO條件下Anaerolineae（厭氧菌）豐度達1.76%，高于B區（1.70%）；B區高DO促進Nitrosomonas（好氧硝化菌）生長。

 

生態意義：微電極數據揭示DO是驅動菌群垂直分層的首要因子，證實"生境過濾"理論在生物膜中的適用性；為通過DO調控優化功能菌布局提供依據。

 

指導工藝優化：

 

工程啟示：Unisense測量的DO梯度數據（如最佳穿透深度500μm）可指導載體設計和曝氣策略，避免深層厭氧區過度擴大導致生物膜脫落。

 

創新點：相較于傳統DO探頭僅測bulk solution，微電極實現了微米級空間解析，突破了生物膜"黑箱"認知局限。

 

總之，Unisense電極數據不僅是驗證耦合環境的關鍵證據，更通過量化DO梯度動態，將物理傳質與微生物生態關聯，為生物膜反應器的精準調控提供了理論工具。