Temporal variation of microbial population in a thermophilic biofilter for SO2 removal

用于SO2去除的嗜熱生物濾池中微生物種群的時間變化

來源：Journal of Environmental Sciences, Volume 39, 2016, Pages 4-12

《環(huán)境科學雜志》，第39卷，2016年，第4-12頁

 

摘要

摘要闡述了生物濾池的性能依賴于微生物在氣體污染物處理過程中的活性。本研究使用實驗室規(guī)模的生物濾池處理SO2，該濾池填充了聚氨酯泡沫立方體（PUFC），其上附著嗜熱脫硫細菌。嗜熱生物濾池在10個月運行時間內(nèi)有效降低了SO2，最大去除能力為48.29 g/m3/hr。通過聚合酶鏈反應-變性梯度凝膠電泳和脫氧核糖核酸序列分析，確定了嗜熱生物濾池中微生物種群的時間變化。濾池中的底物種類和環(huán)境條件影響了微生物種群。使用微電極分析了PUFC中的氧氣分布。當PUFC的含水率超過98%時，氧氣分布沿測試路線呈現(xiàn)好氧-缺氧-好氧狀態(tài)。運行4個月后，由于厭氧條件和硫酸鹽的形成，出現(xiàn)了硫酸鹽還原菌。

 

研究目的

研究目的是調(diào)查嗜熱生物濾池在SO2去除過程中微生物種群的時間變化，探討氧氣分布對微生物群落的影響，并識別關鍵微生物種群及其與濾池性能的關系，以優(yōu)化生物濾池的運行策略。

 

研究思路

研究思路包括建立實驗室規(guī)模的嗜熱生物濾池系統(tǒng)，填充PUFC作為載體，接種嗜熱脫硫細菌，在40-60°C下運行10個月。通過在線監(jiān)測SO2濃度和去除效率評估濾池性能。定期采樣分析微生物數(shù)量（如總細菌和硫細菌的CFU）、種群結(jié)構（使用PCR-DGGE和DNA測序）和空間分布（使用掃描電子顯微鏡和熒光原位雜交）。使用丹麥Unisense微電極測量PUFC中的氧氣分布剖面，結(jié)合微生物數(shù)據(jù)，分析環(huán)境條件（如溫度、濕度）對微生物動態(tài)的影響。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 SO2去除效率和去除能力數(shù)據(jù)，來自表1，顯示運行期間SO2進口濃度100-200 mg/m3，出口濃度0-40 mg/m3，去除效率從33.33%提高到100%，最大去除能力48.39 g/m3/hr。研究意義是量化濾池性能，證明嗜熱生物濾池能高效去除SO2，為工業(yè)應用提供基礎。

 

2 微生物數(shù)量數(shù)據(jù)，來自表2，顯示總細菌和硫細菌的CFU變化，如運行初期總細菌為1.52×10^11 CFU/mL，硫細菌比例為0.45%，運行10個月后比例升至1.09%。研究意義是揭示微生物生長與底物SO2的關聯(lián)，表明硫細菌的富集是濾池高效運行的關鍵。

 

3 微生物種群多樣性數(shù)據(jù)，來自圖4a的DGGE譜圖和Shannon指數(shù)，顯示種群多樣性隨時間降低，如Shannon指數(shù)從2.69降至2.49。研究意義是反映環(huán)境選擇壓力（如高溫、單一底物）導致微生物群落簡化，突出嗜熱和脫硫細菌的優(yōu)勢。

 

4 氧氣分布數(shù)據(jù)，來自圖6的微電極測量，顯示PUFC中溶解氧濃度沿深度變化，在含水率98.06%時呈現(xiàn)好氧-缺氧-好氧狀態(tài)，最低氧濃度0.3 mg/L。研究意義是直接證實微環(huán)境中的氧氣梯度，影響好氧和厭氧微生物的分布和活性。

 

5 微生物形態(tài)和分布數(shù)據(jù)，來自圖3的SEM照片，顯示PUFC表面生物膜形成，有桿狀和球形細菌。研究意義是可視化微生物附著和群落結(jié)構，支持種群變化與濾池性能的相關性。

 

 

結(jié)論

1 嗜熱生物濾池能實現(xiàn)超過90%的SO2去除效率和48.39 g/m3/hr的最大去除能力，表明其在高溫下處理SO2的有效性。

2 微生物種群呈現(xiàn)時間變化，受SO2濃度和環(huán)境條件影響，嗜熱和脫硫細菌成為優(yōu)勢種群，多樣性隨運行時間降低。

3 氧氣分布測量顯示PUFC中存在好氧-缺氧-好氧微環(huán)境，導致好氧和厭氧細菌共存，運行4個月后硫酸鹽形成和厭氧條件促進了硫酸鹽還原菌的出現(xiàn)。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量的氧氣分布數(shù)據(jù)的研究意義在于提供了高分辨率的原位氧氣濃度剖面，揭示了生物濾池載體PUFC內(nèi)部的微環(huán)境條件。測量結(jié)果顯示，在含水率高的PUFC中，氧氣濃度沿深度變化，形成好氧-缺氧-好氧的梯度（圖6），這直接影響了微生物的分布和活性。例如，好氧區(qū)主要支持好氧脫硫細菌的生長，而缺氧區(qū)促進了厭氧細菌如硫酸鹽還原菌的繁殖。這種測量幫助理解了生物濾池中微生物群落的時空動態(tài)，解釋了為什么在表觀好氧條件下會出現(xiàn)厭氧過程（如硫酸鹽還原）。此外，氧氣數(shù)據(jù)與微生物種群分析（如DGGE）結(jié)合，證實了環(huán)境因子對微生物功能的調(diào)控，為優(yōu)化濾池操作（如控制濕度和氧氣供應）以減少厭氧副產(chǎn)物和提高處理效率提供了科學依據(jù)。通過微電極技術，研究實現(xiàn)了對微觀過程的直接觀察，增強了生物濾池設計和運行的精準性。