Estimation of relative oxygen metabolic activity microdistribution in biofilms based on the catastrophe point phenomenon during oxygen-infusion processes

基于氧灌注過程中的災變點現象估計生物膜中相對氧代謝活性微分布

來源：Analytical Methods, Volume 9, 2017, Pages 5293-5300

《分析方法》，第9卷，2017年，頁碼5293-5300

 

摘要

這篇論文提出了一種便捷的方法來估計生物膜中相對微生物氧代謝活性微分布。摘要指出，生物膜反應器是處理廢水的替代技術，但微生物活性微分布難以精確測量。本研究通過氧微電極系統測量旋轉生物接觸器產生的生物膜中的氧灌注過程，首次觀察到溶解氧濃度隨時間出現規律的災變點，即DO濃度變化率在特定點顯著增加。災變點現象通過三維擴散-反應模型分析，表明災變點標志著生物量限制階段的開始。這些點可用于估計生物膜內相對微生物氧代謝活性微分布，該方法便捷且破壞性小，有助于探索氧傳遞-反應微過程、動態氧攝取率微分布和微生物微分布。

 

研究目的

研究目的是開發一種新方法來估計生物膜中微生物氧代謝活性的微分布，以解決現有模型和測量技術不精確或復雜的問題。通過觀察氧灌注過程中的災變點現象，提供一種便捷、低破壞性的途徑來理解生物膜內部的微生物活動、底物傳遞和反應過程。

 

研究思路

研究思路首先使用氧微電極系統測量生物膜中的氧灌注過程，重點觀察溶解氧濃度隨時間的變化。通過比較活性生物膜和滅活生物膜的實驗數據，識別災變點現象。然后，應用三維擴散-反應模型分析災變點，推斷其與微生物氧代謝活性的關系。最后，基于災變點估計相對微生物氧代謝活性微分布，并與已有研究對比驗證方法的合理性。

 

測量的數據及研究意義

1 氧濃度隨時間變化的動態數據：測量了生物膜不同深度處的溶解氧濃度隨時間的變化，來自Fig. 2和Fig. 3。研究意義是首次揭示災變點現象，表明微生物活動導致DO變化率突變，為識別氧限制轉化為生物量限制的關鍵點提供依據。

 

 

2 災變點位置數據：提取了災變點處的DO濃度和發生時間，來自Fig. 2和Fig. 3。研究意義是災變點可作為微生物氧代謝活性的指標，幫助估計反應模式從氧限制向生物量限制的轉變點。

3 相對微生物氧代謝活性微分布數據：基于災變點計算了相對活性隨生物膜深度的變化，來自Fig. 4。研究意義是提供了生物膜內部活性分布的直觀視圖，與已有微生物分布研究一致，驗證了方法的可靠性。

 

 

結論

研究得出結論，氧灌注過程中的災變點現象首次被觀察到，并由微生物氧代謝活動引起。災變點是氧濃度從限制因素轉變為非限制因素的關鍵點。通過三維模型分析，災變點可用于估計相對微生物氧代謝活性微分布，該方法便捷、低破壞性，有助于深入理解生物膜內部的氧傳遞-反應微過程和微生物分布。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極測量數據的研究意義在于實現了高時空分辨率的原位氧濃度監測，能夠精確捕捉生物膜內部氧動態變化。具體地，微電極系統（如OX10型號）具有快速響應（約0.4秒）和微小尖端（10μm），可直接測量生物膜微米級深度的DO濃度，避免了傳統方法的破壞性。數據揭示了災變點現象，為識別微生物代謝活動的臨界點提供了直接證據。這有助于量化氧攝取率微分布，優化生物膜反應器操作，例如通過控制氧供應來提高廢水處理效率。與模型結合后，微電極數據驗證了擴散-反應過程的真實性，推動了生物膜內部微環境研究的進展。