Insight into the microbial community and its succession of a coupling anaerobic-aerobic biofilm on semi-suspended bio-carriers

深入了解微生物群落及其耦合厭氧-好氧生物膜的半懸浮生物載體

來(lái)源：Bioresource Technology 247 (2018) 591–598

 

論文摘要總結(jié)

本文研究旨在通過(guò)3D打印技術(shù)制備的半懸浮生物載體，在單一生物反應(yīng)器中構(gòu)建耦合厭氧-好氧生物膜，并深入解析其微生物群落結(jié)構(gòu)及演替規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，半懸浮載體表面形成了明顯的溶解氧（DO）梯度，成功實(shí)現(xiàn)了厭氧和好氧微環(huán)境的耦合。宏基因組分析表明，微生物群落隨運(yùn)行時(shí)間（19-61天）發(fā)生連續(xù)演替，優(yōu)勢(shì)菌群從初始的混合態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向功能化（如硝化/反硝化細(xì)菌）。耦合生物膜為多種微生物提供了多生境共存條件，顯著提升了污染物去除效率（COD、TN、TP去除率穩(wěn)定在85%以上）。該研究為通過(guò)載體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新增強(qiáng)微生物多樣性提供了新策略。

 

研究目的

 

構(gòu)建新型生物膜系統(tǒng)：利用半懸浮生物載體（一端固定、一端自由運(yùn)動(dòng)）在單一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)厭氧-好氧耦合環(huán)境，克服傳統(tǒng)固定式載體易堵塞和懸浮載體生物膜形成難的缺陷。

解析微生物群落動(dòng)態(tài)：通過(guò)高通量測(cè)序（16S rRNA）揭示生物膜微生物群落的組成、多樣性及隨時(shí)間演替的規(guī)律。

評(píng)估環(huán)境梯度效應(yīng)：探究DO梯度對(duì)微生物空間分布和功能的影響，驗(yàn)證多生境對(duì)生物多樣性的促進(jìn)作用。

 

優(yōu)化污水處理工藝：為基于生物膜的污水處理系統(tǒng)提供載體設(shè)計(jì)和微生物調(diào)控的理論依據(jù)。

 

研究思路

研究遵循"載體設(shè)計(jì)-系統(tǒng)構(gòu)建-監(jiān)測(cè)分析-機(jī)制驗(yàn)證"的邏輯鏈：

 

載體創(chuàng)新：采用3D打印技術(shù)制備紡錘形半懸浮生物載體，通過(guò)一端固定實(shí)現(xiàn)均勻分布，另一端自由運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)傳質(zhì)。

反應(yīng)器運(yùn)行：在矩形生物反應(yīng)器中分區(qū)設(shè)置不同曝氣強(qiáng)度（A區(qū)低曝氣、B區(qū)高曝氣），連續(xù)運(yùn)行100天，接種市政污水廠活性污泥。

環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)：使用丹麥Unisense氧微電極系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量bulk solution和生物膜內(nèi)的DO梯度（圖1），結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)（COD、TN、TP、NH?-N等）評(píng)估系統(tǒng)性能。

微生物群落分析：在不同時(shí)間點(diǎn)（19、26、36、47、61天）采集A/B區(qū)生物膜樣本，通過(guò)Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行16S rRNA測(cè)序，利用MOTHUR軟件進(jìn)行OTU聚類和多樣性分析（α多樣性指數(shù)、PCoAβ多樣性等）。

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：將DO梯度數(shù)據(jù)與微生物群落結(jié)構(gòu)（門、綱、屬水平豐度）關(guān)聯(lián)，揭示環(huán)境因子對(duì)菌群演替的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

 

DO梯度數(shù)據(jù)（來(lái)自圖1）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：A區(qū)DO濃度從初始1.8 mg/L降至0.2 mg/L（60天），生物膜內(nèi)DO穿透距離從470μm縮至250μm；B區(qū)DO穩(wěn)定在2.5-3.0 mg/L，穿透距離約550μm。

 

研究意義：直接證實(shí)生物膜內(nèi)存在厭氧（深層）-好氧（表層）梯度，為厭氧氨氧化、反硝化等過(guò)程提供微環(huán)境；DO梯度差異是驅(qū)動(dòng)A/B區(qū)微生物群落分化的關(guān)鍵因素。

 

微生物相似性與差異性數(shù)據(jù)（來(lái)自圖2和圖3）：

 

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Venn圖顯示A區(qū)樣本共享OTU為227，獨(dú)有OTU最高達(dá)1397（S36A）；B區(qū)共享OTU為216，獨(dú)有OTU最高達(dá)1622（S26B）。PCoA分析表明隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，A/B區(qū)樣本間距離顯著增大（圖3）。

 

研究意義：獨(dú)有OTU數(shù)量遠(yuǎn)高于共享OTU，說(shuō)明載體微環(huán)境促進(jìn)菌群分化；時(shí)間推移加劇群落異質(zhì)性，驗(yàn)證多生境對(duì)微生物多樣性的增強(qiáng)作用。

 

多樣性指數(shù)數(shù)據(jù)（來(lái)自表1）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Shannon指數(shù)在A區(qū)從5.65（S19A）升至6.42（S36A）后降至4.87（S61A）；B區(qū)從6.09（S19B）升至6.25（S36B）后降至5.19（S61B）。ACE和Chao1指數(shù)顯示類似先增后降趨勢(shì)。

 

研究意義：生物多樣性隨生物膜成熟先升后降，反映群落從定殖、競(jìng)爭(zhēng)到穩(wěn)定的演替過(guò)程；B區(qū)多樣性始終高于A區(qū)，表明較高DO環(huán)境更利于菌群共存。

 

微生物組成數(shù)據(jù)（來(lái)自圖4）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Proteobacteria為優(yōu)勢(shì)門（A區(qū)從61.1%增至82.5%，B區(qū)從60.8%增至67.9%）；屬水平上Candidatus_Saccharimonas（TM7門）在早期主導(dǎo)（S19A: 6.1%），后期被Klebsiella（S61A: 15.6%）和Variovorax（S47A: 17.0%）替代。

 

研究意義：Proteobacteria的高黏附性利于載體定殖；功能菌演替（如反硝化菌Variovorax）與污染物去除效率提升直接相關(guān)，證實(shí)群落功能定向優(yōu)化。

 

功能菌群數(shù)據(jù)（來(lái)自圖5）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：AOB（氨氧化菌）和NOB（亞硝酸鹽氧化菌）在30天時(shí)豐度最高（A區(qū)AOB 1.58%，NOB 0.36%），47天后下降；B區(qū)AOB豐度始終高于A區(qū)。

 

研究意義：AOB/NOB動(dòng)態(tài)變化與TN去除率吻合（支持信息），揭示硝化過(guò)程的關(guān)鍵菌群基礎(chǔ)；DO梯度差異導(dǎo)致A/B區(qū)硝化菌分布不對(duì)稱，優(yōu)化了氮去除路徑。

 

結(jié)論

 

載體有效性：半懸浮生物載體成功構(gòu)建耦合厭氧-好氧生物膜，DO梯度（250-550μm穿透深度）是形成多生境的核心機(jī)制。

群落演替規(guī)律：微生物群落經(jīng)歷"定殖-競(jìng)爭(zhēng)-穩(wěn)定"三階段演替，后期由功能菌（如Klebsiella、Nitrosomonas）主導(dǎo)，多樣性雖略有下降但功能強(qiáng)化。

性能關(guān)聯(lián)：高多樣性群落提升系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力，COD和TN去除率分別達(dá)90%和85%以上。

 

應(yīng)用前景：半懸浮載體設(shè)計(jì)結(jié)合DO梯度調(diào)控，為高負(fù)荷污水處理提供了新型生物膜反應(yīng)器方案。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的意義

丹麥Unisense氧微電極在本研究中用于高分辨率監(jiān)測(cè)溶解氧梯度，其數(shù)據(jù)意義如下：

 

直接驗(yàn)證耦合微環(huán)境形成：

 

技術(shù)原理：微電極通過(guò)Clark電極原理以10μm步進(jìn)精度測(cè)量生物膜內(nèi)DO濃度（圖1b、1c），避免傳統(tǒng)宏觀測(cè)量的空間平均誤差。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：生物膜表層DO接近bulk solution（A區(qū)0.2-1.8 mg/L，B區(qū)2.5-3.0 mg/L），深層（>250μm）降至<0.1 mg/L，形成厭氧區(qū)。

 

研究意義：首次在半懸浮載體上直接證實(shí)DO梯度存在，為"單反應(yīng)器內(nèi)耦合厭氧-好氧過(guò)程"提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)；梯度深度差異（A區(qū)250μm vs B區(qū)550μm）解釋了菌群空間分異。

 

量化傳質(zhì)限制效應(yīng)：

 

動(dòng)態(tài)變化：運(yùn)行60天后，A區(qū)DO穿透距離從470μm縮至250μm（圖1b），與生物膜增厚導(dǎo)致的傳質(zhì)阻力增加一致。

 

機(jī)制闡釋：DO梯度斜率變化反映生物膜密度和活性的時(shí)空演變，為模型擬合傳質(zhì)系數(shù)提供關(guān)鍵參數(shù)；穿透距離縮短提示深層厭氧區(qū)擴(kuò)大，利于反硝化等厭氧過(guò)程。

 

關(guān)聯(lián)微生物群落分布：

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：DO梯度與微生物組成數(shù)據(jù)（圖4）高度耦合——A區(qū)低DO條件下Anaerolineae（厭氧菌）豐度達(dá)1.76%，高于B區(qū)（1.70%）；B區(qū)高DO促進(jìn)Nitrosomonas（好氧硝化菌）生長(zhǎng)。

 

生態(tài)意義：微電極數(shù)據(jù)揭示DO是驅(qū)動(dòng)菌群垂直分層的首要因子，證實(shí)"生境過(guò)濾"理論在生物膜中的適用性；為通過(guò)DO調(diào)控優(yōu)化功能菌布局提供依據(jù)。

 

指導(dǎo)工藝優(yōu)化：

 

工程啟示：Unisense測(cè)量的DO梯度數(shù)據(jù)（如最佳穿透深度500μm）可指導(dǎo)載體設(shè)計(jì)和曝氣策略，避免深層厭氧區(qū)過(guò)度擴(kuò)大導(dǎo)致生物膜脫落。

 

創(chuàng)新點(diǎn)：相較于傳統(tǒng)DO探頭僅測(cè)bulk solution，微電極實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)空間解析，突破了生物膜"黑箱"認(rèn)知局限。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)不僅是驗(yàn)證耦合環(huán)境的關(guān)鍵證據(jù)，更通過(guò)量化DO梯度動(dòng)態(tài)，將物理傳質(zhì)與微生物生態(tài)關(guān)聯(lián)，為生物膜反應(yīng)器的精準(zhǔn)調(diào)控提供了理論工具。