Evaluation of the impact of dissolved oxygen concentration on biofilm microbial community in sequencing batch biofilm reactor

溶解氧濃度對序批式生物膜反應器中生物膜微生物群落影響的評估

來源：Journal of Bioscience and Bioengineering, Volume 125, Issue 5, 2018, Pages 532-542

《生物科學與生物工程雜志》，第125卷第5期，2018年，第532-542頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究在序批式生物膜反應器（SBBR）中調查了溶解氧濃度（DO）對同步硝化反硝化（SND）過程中生物膜微生物群落的影響。實驗在不同DO濃度（1.5、3.5和4.5 mg/L）下進行，評估氮去除率和細菌群落變化。當DO為2.5 mg/L時，SND率最高達95.22%，化學需氧量（COD）和氮去除率分別為92.22%和84.15%。反硝化過程隨氧濃度增加而受抑制。微電極測量顯示，DO濃度從1.5 mg/L增至5.5 mg/L時，氧滲透厚度從1.0 mm增至2.7 mm。高通量測序分析表明，生物膜群落結構相似，以Uliginosibacterium、Zoogloea和Acinetobacter為主。好氧層以Betaproteobacteria和Saprospirae為主，厭氧層以Anaerolineae為主。實時PCR顯示氨氧化細菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）數量與Nitrospirales和Nitrosomonadales豐度匹配。研究表明DO濃度顯著影響SND系統中關鍵細菌群落的動態。

 

研究目的

研究目的是量化不同DO濃度下SBBR生物膜的微環境變化，明確DO對生物膜內好氧和厭氧層定位的影響，并探討DO濃度如何調控微生物群落結構及其與氮去除效率的關系，為優化SND工藝提供理論依據。

 

研究思路

研究思路基于在SBBR中培養生物膜，通過調控曝氣設置三個階段（DO 1.5、3.5和4.5 mg/L）進行實驗。使用合成廢水模擬實際條件，監測COD、氮化合物濃度變化。利用微電極系統測量生物膜內DO剖面，確定好氧和厭氧層位置。采集不同層樣本（好氧層、傳質邊界層、厭氧層），通過DNA提取、高通量測序和實時PCR分析微生物群落組成和數量。結合水質數據和微生物結果，評估DO對SND性能的影響機制。

 

測量的數據及研究意義

1 數據：氮濃度變化和SND率，來自Fig.3。研究意義：Fig.3a和Fig.3b顯示不同DO階段下進水出水氮濃度及去除效率，表明DO 3.5 mg/L時SND率最高（96%），證實DO調控能優化硝化和反硝化平衡，為反應器操作提供關鍵參數。

 

 

2 數據：DO微電極剖面和好氧區比例，來自Fig.4。研究意義：Fig.4a顯示DO濃度增加導致氧滲透厚度增加（1.0-2.7 mm），Fig.4b表明好氧區比例從23.3%增至83.3%，直接揭示DO擴散如何影響生物膜分層，為理解微生物空間分布提供基礎。

 

3 數據：AOB和NOB數量變化，來自Fig.5。研究意義：Fig.5a-c通過實時PCR顯示總細菌、AOB和NOB的拷貝數，DO 3.5 mg/L時AOB數量最高，表明中等DO促進硝化細菌生長，鏈接到SND效率提升，指導菌群調控策略。

 

4 數據：微生物群落組成在門和綱水平分布，來自Fig.6和Table 4。研究意義：Fig.6展示不同DO下群落相對豐度，好氧層Betaproteobacteria占主導，厭氧層Anaerolineae增多，Table 4列出屬水平細節（如Uliginosibacterium豐度最高），證實DO驅動群落演替，影響系統穩定性。

 

 

5 數據：生態多樣性指數（如Shannon指數、Chao1），來自Table 3。研究意義：Table 3提供OTU數量和多樣性指標，顯示厭氧層多樣性最高，表明低DO促進物種豐富度，有助于評估生物膜抗逆性。

 

 

結論

1 DO濃度顯著影響SND效率，最佳DO為3.5 mg/L時，氮去除率達84.15%，SND率96%，過高或過低DO均抑制性能。

2 生物膜內好氧區厚度隨DO增加而擴大，微電極測量確認分層結構，好氧區比例從23.3%增至83.3%，直接調控微生物空間分布。

3 微生物群落以Uliginosibacterium、Zoogloea和Acinetobacter為主，DO變化驅動群落演替，好氧層Betaproteobacteria和厭氧層Anaerolineae占優，證實DO是關鍵環境因子。

4 實時PCR顯示AOB和NOB數量與DO相關，中等DO促進硝化細菌生長，提升系統穩定性，為工藝優化提供微生物學依據。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于，該微電極系統（如OX-N型）通過高精度自動化測量生物膜內DO剖面，實現了對微環境的空間解析。在本文中，微電極用于確定氧滲透深度和好氧/厭氧層邊界（Fig.4），步驟大小設為100μm，數據采集由軟件控制，確保準確性。這種測量意義在于：首先，它直接量化了DO擴散限制，例如DO從1.5 mg/L增至5.5 mg/L時，氧滲透厚度從1.0 mm增至2.7 mm，揭示了好氧區比例變化（23.3%-83.3%），這解釋了為何DO 3.5 mg/L時SND效率最高——因為中等DO平衡了硝化（需氧）和反硝化（厭氧）空間。其次，微電極數據指導了樣本采集位置（如好氧層500μm深度），使高通量測序和實時PCR能針對性地分析層特異性群落，避免了傳統方法的盲目性。最后，該技術證實了生物膜異質性，支持了SND機理研究，如質量傳輸與微生物活動的耦合，為廢水處理中DO調控提供了可靠工具。總之，Unisense電極數據將物理微環境與生物學響應鏈接，提升了我們對生物膜過程的理解。