Effects of oxygen and water content on microbial distribution in the polyurethane foam cubes of a biofilter for SO2 removal

氧氣和水分含量對用于SO2去除的生物過濾器聚氨酯泡沫立方體中微生物分布的影響

來源：JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCES, Volume 63, January 2018, Pages 268-276

《環境科學雜志》，第63卷，2018年1月，頁碼268-276

 

摘要：

這篇論文研究了在用于SO2去除的生物過濾器中，聚氨酯泡沫立方體（PUFCs）內的氧氣和水分含量對微生物分布的影響。研究使用微電極分析了PUFCs中的O2分布，發現O2分布隨PUFCs的密度和水分含量率（WCR）變化。高WCR時，O2濃度從表面到中心急劇下降，形成好氧-缺氧-好氧區域。三維模擬圖像顯示，高WCR的PUFCs具有好氧“殼”和缺氧“核”結構，高密度PUFCs的缺氧區更大。水分分布不均勻，影響O2濃度，進而導致微生物分布差異：表面為好氧細菌，中心為兼性厭氧微生物。

 

研究目的：

本研究旨在探究生物過濾器中填充材料（聚氨酯泡沫立方體）內的氧氣和水分分布如何影響微生物的分布和活動，以優化生物過濾器的性能，提高SO2去除效率。研究重點關注O2和H2O的微環境特性，以及它們與微生物種群的關系。

 

研究思路：

研究首先使用微電極測量不同密度和水分含量率的PUFCs中的O2分布，并通過三維模擬分析O2和H2O的空間分布。同時，利用掃描電子顯微鏡觀察PUFCs結構，并通過PCR-DGGE分析微生物種群。研究比較了有微生物附著的PUFCs和未使用的PUFCs，以探討O2和水分對微生物分布的影響機制。

 

測量的數據及研究意義：

1. O2分布數據：使用微電極測量PUFCs中的溶解氧濃度，數據顯示O2濃度從材料表面到中心逐漸下降，高WCR時形成缺氧區。數據來自Fig.2，其中展示了不同密度和WCR的PUFCs中的O2分布曲線。研究意義：這些數據揭示了高水分含量會限制O2擴散，導致缺氧微環境，從而影響微生物的代謝活動和生物過濾器的整體性能，為優化生物過濾器的水分控制提供依據。

 

2. H2O分布數據：通過重力法測定PUFCs切片的水分含量率，三維模擬顯示水分分布不均勻，底部水分較高。數據來自Fig.3和Fig.4，其中Fig.3展示了高WCR（97.20%）PUFC的H2O和O2三維分布，Fig.4展示了低WCR（16.91%）的分布。研究意義：水分不均勻分布導致O2濃度變化，強調了控制填充材料水分均勻性的重要性，以避免局部缺氧或干燥，維持微生物活性。

 

 

3. 微生物種群數據：通過PCR-DGGE分析PUFCs表面和中心的細菌群落，顯示表面為好氧細菌，中心為兼性厭氧細菌。數據來自Fig.6和Table 3，其中Fig.6展示了DGGE圖譜和系統發育樹，Table 3列出了細菌種類。研究意義：這些數據證實O2分布不均勻直接導致微生物種群分化，有助于理解生物過濾器中微生物的適應性，為調控微生物群落提高污染物降解效率提供指導。

 

 

4. O2分布在有微生物附著的PUFCs中的數據：測量顯示PUFC-M中的O2濃度相對均勻但較低，中心區域O2濃度更低。數據來自Fig.5，比較了有和無微生物附著的PUFCs。研究意義：表明微生物呼吸消耗O2，影響微環境，突出了在生物過濾器運行中監測O2動態的重要性。

 

 

結論：

研究得出，PUFCs中的水分分布不均勻，O2分布隨密度和水分含量率變化，高WCR時O2濃度從表面到中心急劇下降，形成好氧殼和缺氧核結構。微生物分布相應變化，表面為好氧細菌，中心為兼性厭氧微生物。這表明O2和水分是影響生物過濾器微生物活動和性能的關鍵因素，需優化控制以維持高效運行。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense微電極（型號OX-10）測量O2分布的數據具有重要研究意義，因為它能夠以高空間分辨率（tip直徑10μm）非破壞性地檢測微環境中的溶解氧濃度。這種技術允許直接分析PUFCs內部的O2梯度，揭示了傳統方法難以觀察的缺氧微區，從而將O2分布與微生物活動直接關聯。具體意義包括：首先，它證實了高水分含量下O2擴散受限，導致局部缺氧，這有助于解釋生物過濾器中污染物去除效率波動的機制；其次，通過三維模擬O2分布，研究提供了微觀尺度上的環境參數，為優化填充材料設計和操作條件（如水分控制）提供了實證基礎；最后，這種測量支持了微生物種群分布與O2濃度的相關性，推動了生物過濾器微生物生態學研究，有助于開發更高效的廢氣處理系統。