Sulfate reducing bacteria and their activities in oil sands process-affected water biofilm

硫酸鹽還原菌及其在含油砂中水生物膜的活性影響

來源：Science of the Total Environment 2015,536 , 116–122

 

論文摘要

摘要指出，研究團隊構建了生物膜反應器，在添加了生長培養基的油砂處理水中成功培養了厚度達1000微米的分層多物種生物膜。通過結合微傳感器和分子生物學技術，研究發現硫酸鹽還原活性出現在生物膜的深層缺氧區（約在生物膜-水體界面以下750微米至1000微米處），并觀察到了H2S的生產。這表明在分層的生物膜深處發生了硫酸鹽還原。同時，該生物膜能夠同步去除化學需氧量、硫酸鹽和氮。

研究目的

本研究旨在探究在油砂處理水生物膜中，硫酸鹽還原菌的存在、功能多樣性及其潛在活性，并評估此類生物膜對油砂處理水的處理能力，為未來生物反應器的開發提供信息。

研究思路

研究采用實驗室反應器培養與多技術驗證的策略：

 

反應器構建與培養：建立兩個實驗室規模的生物膜反應器（R1和R2），分別使用純油砂處理水和補充了外部生長培養基的油砂處理水進行長期（184天）培養，以在工程生物載體上形成生物膜。

水質效能監測：定期檢測反應器進出水中的化學需氧量、硫酸鹽、銨態氮、硝態氮和總氮濃度，評估生物膜對污染物的整體去除效率。

微生物群落與活性分析：

 

使用丹麥Unisense微電極對生物膜進行原位測量，獲取溶解氧、H?S、pH和氧化還原電位的垂直剖面。

 

基于功能基因進行分子生物學分析，包括利用dsrB基因進行變性梯度凝膠電泳以研究SRB群落多樣性，以及實時定量PCR以量化SRB的豐度。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

化學需氧量去除效率：

 

數據內容：反應器R2（補充培養基）的化學需氧量從約869 mg/L顯著降至78 mg/L，而R1（純油砂處理水）的去除率很低（約7%）。

研究意義：證明在補充營養條件下，培養出的厚生物膜能有效降解油砂處理水中的有機物，為生物強化處理提供了依據。

 

數據來源：圖2展示了整個運行期間反應器R1和R2的進出水化學需氧量濃度。

 

硫酸鹽與氮的去除/轉化：

 

數據內容：在R2中，硫酸鹽濃度從80 mg/L降至64 mg/L（約移除20%）；銨態氮先升后降，硝態氮濃度上升，總氮從92 mg/L降至45 mg/L。

研究意義：硫酸鹽的降低直接證明了生物膜中發生了硫酸鹽還原反應。氮形態的變化表明生物膜內同時存在氮化作用（有機氮轉為銨態氮）和硝化作用（銨態氮轉為硝態氮），總氮的下降則可能涉及反硝化等過程，顯示了生物膜處理多種污染物的綜合能力。

 

 

數據來源：硫酸鹽數據來自圖3；氮物種數據來自圖4。

 

微傳感器剖面數據（O?, H?S, pH, ORP）：

 

數據內容：Unisense微電極測量顯示，在1000微米厚的生物膜中，溶解氧在界面下約800微米處耗盡，形成一個約200微米厚的缺氧區。H?S在深層缺氧區（750-1000微米）被檢測到并逐漸增加。pH變化輕微，氧化還原電位從界面處的+410 mV降至深層-110 mV。

研究意義：這些高分辨率數據直接揭示了生物膜內部嚴格的化學分層結構，為SRB的生存和活動（需要缺氧和低氧化還原電位環境）提供了直接的微環境證據。

 

數據來源：圖5展示了溶解氧、pH、氧化還原電位和H?S的垂直剖面。

 

H?S凈生產/消耗速率：

 

數據內容：基于H?S剖面數據，通過菲克第二擴散定律計算得出，在界面下850微米處H?S生產速率最高，而在650-800微米處存在H?S的消耗（氧化）。

研究意義：不僅定位了SRB最活躍的區域，還揭示了生物膜內部硫循環的復雜性，即同時存在硫酸鹽還原（產生H?S）和硫化物氧化（消耗H?S）過程。

 

數據來源：圖6展示了H?S的凈消耗和生產速率剖面。

 

SRB群落多樣性與豐度：

 

數據內容：DGGE圖譜顯示SRB的條帶數量隨運行時間增加；qPCR結果顯示dsrB基因拷貝數（即SRB豐度）在后期（P5, P6）約為前期（P3, P4）的五倍。

研究意義：從生物學角度證實了SRB群落在生物膜中的成功定殖和演替，其豐度變化與微傳感器觀測到的化學活性在時間上相吻合，強化了結論的可信度。

 

 

數據來源：DGGE指紋圖來自圖7；dsrB基因拷貝數來自圖8。

 

結論

 

成功在補充營養的油砂處理水中培養出了厚度達1000微米的多物種生物膜。

該生物膜能夠同步去除化學需氧量、硫酸鹽和氮，展現出處理油砂處理水的潛力。

微傳感器和分子生物學證據共同表明，SRB主要存在于生物膜的深層缺氧區，并在那里進行硫酸鹽還原活動，產生H?S。

 

SRB群落的多樣性和豐度隨著生物膜的成熟而增加。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的微電極（包括H?S、溶解氧、pH和氧化還原電位微電極）進行了關鍵的原位測量，這些數據的研究意義如下：

 

實現無損的原位測量：Unisense微電極的針尖直徑極小（50微米），能夠刺入生物膜而不嚴重破壞其結構，從而獲取了生物膜內部真實、原位的化學微環境信息。傳統方法需要破壞生物膜進行分層取樣，無法反映活體生物膜的實際狀況。本研究中的圖5直觀展示了這一點。

直接證實生物膜的分層結構與SRB的生態位：溶解氧微電極的數據清晰顯示了一個有氧表層和深層缺氧區，這解釋了為什么好氧和厭氧微生物（如SRB）能在同一生物膜中共存。H?S微電極的數據直接將SRB的活性定位在深層缺氧區（750-1000微米），這是證明SRB在如此厚的油砂處理水生物膜中起作用的最直接證據。

揭示代謝活動的微環境驅動機制：氧化還原電位微電極測量到深層氧化還原電位低至-110 mV，這正好滿足SRB活動的條件（通常低于-100 mV）。這從環境化學角度解釋了SRB能在該區域活躍的原因。pH微電極顯示變化不大，排除了因pH劇烈變化抑制微生物活動的可能性。

 

量化SRB的活性并揭示硫循環：基于H?S微電極的剖面數據，通過擴散反應模型計算出的H?S生產速率（圖6），將觀測從“存在H?S”提升到“量化SRB活性”的層面。同時，識別出在較淺深度（650-800微米）存在的H?S消耗區，表明生物膜中還存在好氧或厭氧的硫氧化細菌，揭示了復雜的硫素循環，這對理解生物膜的整體功能至關重要。

 

總之，Unisense微電極提供的高分辨率空間化學數據，是連接生物膜物理結構、化學環境與微生物功能（特別是SRB活性）之間的橋梁。它使研究者能夠“看到”生物膜內部正在發生的反應，極大地增強了對油砂處理水生物膜處理機制的理解，并為優化生物反應器運行參數（如控制溶解氧以引導SRB活性）提供了科學依據。