Kinetics of Indigenous Nitrate Reducing Sulfide Oxidizing Activity in Microaerophilic Wastewater Biofilms

微好氧廢水生物膜中本土硝酸鹽還原硫化物氧化活性的動力學

來源：PLOS ONE, Volume 11, Issue 2, 2016, Article e0149096

《PLOS ONE》，第11卷第2期，2016年，文章編號e0149096

 

摘要

摘要指出，硝酸鹽能減少污水處理廠中硫化物的釋放，但對其如何影響生物膜內微生物過程的微區分布和動力學知之甚少。本研究使用微電極研究了硝酸鹽添加對微好氧廢水生物膜中硫酸鹽還原、硫化物氧化和氧氣呼吸的動力學和微區分布的影響。在基礎條件下，生物膜呈現雙層系統：上層微好氧層（約300μm）顯示低硫化物產生率（0.31 μmol cm?3 h?1）和氧氣消耗率（0.01 μmol cm?3 h?1），下層缺氧層顯示高硫化物產生率（2.7 μmol cm?3 h?1）。硝酸鹽添加降低了凈硫化物產生率，原因是上層硫化物氧化率增加，而非硫酸鹽還原菌的抑制，表明本土硝酸鹽還原硫化物氧化菌被立即激活。生物膜功能垂直結構變為三層系統：上層硫化物消耗層、中層硫化物產生層和下層未受影響層。凈硫化物氧化率在0.05至0.72 μmol cm?3 h?1之間變化，取決于硝酸鹽和硫酸鹽可用性。低硝酸鹽濃度添加可能通過克服硫酸鹽擴散限制和增強SRB與NR-SOB的協同關系，增加硫酸鹽還原和硫化物氧化。

 

研究目的

研究目的是評估硝酸鹽添加對微好氧廢水生物膜中氮和硫轉化過程的動力學和微區分布的影響，特別是對硫酸鹽還原、硫化物氧化和氧氣呼吸的效應，并通過微電極測量和模型計算揭示微生物過程的微觀機制，以優化硝酸鹽投加策略減少硫化物排放。

 

研究思路

研究思路包括在實驗室規模序批式反應器中培養微好氧廢水生物膜，使用微電極（如O2、H2S、pH微電極）測量生物膜內部的垂直微剖面（如濃度和速率），結合數值模型計算凈消耗和生產速率。實驗設計包括不同硫酸鹽和硝酸鹽濃度處理，通過質量平衡和微生物群落分析（如DGGE）評估過程變化。重點從宏觀和微觀角度分析硝酸鹽對硫化物動力學的效應。

 

測量的數據及研究意義

1 數據來自圖1：測量了生物膜內部的H2S、O2和pH垂直剖面，以及模型計算的體積反應速率。研究意義是揭示了生物膜的微區結構（如上好氧層和下缺氧層），并量化了硫酸鹽還原和氧氣消耗的局部速率，為理解生物膜內微生物過程的空間分布提供直接證據。

 

2 數據來自圖2：測量了不同硫酸鹽濃度下H2S濃度剖面和集成硫化物濃度。研究意義是顯示硫酸鹽可用性對硫化物產生的飽和動力學影響（Ks≈1 mM），表明硫酸鹽擴散限制在生物膜中的作用，幫助優化底物投加。

 

3 數據來自圖3：測量了氧氣最大滲透深度與硫酸鹽濃度和硫化物產生率的關系。研究意義是表明硫酸鹽增加降低氧氣滲透，突出了好氧和厭氧過程的競爭，為控制生物膜微環境提供依據。

 

4 數據來自圖4和5：測量了硝酸鹽添加下H2S剖面的時間演化和穩態變化。研究意義是證明硝酸鹽快速減少硫化物濃度，激活NR-SOB活性，支持硝酸鹽作為硫化物控制的有效策略。

 

 

5 數據來自圖6和7：通過模型計算了凈硫化物氧化率與硝酸鹽濃度的關系，顯示Michaelis-Menten動力學（Ks≈0.55-0.58 mM）。研究意義是量化NR-SOB的親和力，為動力學建模和過程優化提供參數。

 

 

6 數據來自表2：測量了硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨和硫酸鹽的凈生產/消耗速率。研究意義是顯示硝酸鹽添加刺激硫酸鹽消耗和亞硝酸鹽生產，表明氮硫循環的耦合，強調了微生物相互作用的復雜性。

 

7 數據來自圖9和10：通過DGGE分析微生物群落變化。研究意義是發現短期硝酸鹽處理未引起顯著群落變化，表明過程變化源于代謝激活而非群落更替，突出微生物的功能冗余。

 

 

結論

1 硝酸鹽添加通過激活本土NR-SOB立即減少凈硫化物產生，而非抑制SRB，導致生物膜從雙層變為三層功能結構。

2 硫化物氧化率遵循Michaelis-Menten動力學，對硝酸鹽的Ks值約為0.55-0.58 mM，凈氧化率最高達0.72 μmol cm?3 h?1，受硫酸鹽可用性影響。

3 微電極測量顯示氧氣滲透深度受硫酸鹽濃度調控，低氧條件促進反硝化途徑的N2O生產，但本研究未直接測量N2O。

4 微生物群落在短期處理中穩定，表明代謝適應而非結構變化是主要響應，支持工程化調控的可行性。

5 硝酸鹽投加可優化硫化物控制，但需考慮硫酸鹽擴散和微生物協同，以最小化操作成本。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極（包括O2、H2S、pH微電極）測量生物膜內部的垂直微剖面，提供了高空間分辨率的實時數據，使研究能從微觀尺度直接觀察濃度梯度和反應速率。研究意義在于，這些測量允許精確量化生物膜內的微生物過程，例如顯示H2S和O2的剖面如何揭示好氧/厭氧區的形成（如圖1），從而識別硫酸鹽還原和硫化物氧化的熱點區域。通過模型計算凈速率（如通過Fick定律），微電極數據幫助推導動力學參數（如Ks值），證實NR-SOB的活性受硝酸鹽擴散限制（圖6和7）。這種高分辨率數據揭示了硝酸鹽添加如何改變生物膜功能結構（如從雙層到三層），突出了微環境在調控微生物相互作用中的關鍵作用。此外，微電極測量支持了質量平衡分析，驗證了硝酸鹽對硫化物氧化的立即效應，避免了群落變化的干擾。總體而言，Unisense電極的數據增強了從宏觀到微觀的過程理解，為廢水生物膜管理提供了堅實的實驗基礎，強調了微電極技術在環境微生物學研究中的價值。