背景介紹:硫酸鹽還原菌(SRB)通過(guò)在缺氧條件下將H2S的產(chǎn)生與有機化合物的氧化耦合，在硫和碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用。SRB產(chǎn)生的硫化物是一個(gè)嚴重的環(huán)境問(wèn)題（例如難聞的氣味、毒性和金屬腐蝕），在多個(gè)行業(yè)（例如石化、食品、飲用水、廢水處理）中具有重要的經(jīng)濟后果。添加硝酸鹽被認為是控制硫化物含量的最佳選擇之一。在這些行業(yè)中，硫化物的產(chǎn)生通常發(fā)生在微需氧或有氧條件下生長(cháng)的生物膜內硝酸鹽減少了污水處理廠(chǎng)(WWTP)中硫化物的釋放，但人們對它如何影響生物膜內相關(guān)微生物過(guò)程的微分區和動(dòng)力學(xué)知之甚少。本論文的研究人員使用微電極系統（unisense）在微需氧廢水生物膜中研究了添加硝酸鹽對硫酸鹽還原、硫化物氧化和氧氣呼吸的這些特性的影響。實(shí)驗的目的是詳細研究在大型污水處理廠(chǎng)中生長(cháng)的生物膜中微米級凈硫化物產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)，與上覆水相中硫酸鹽和硝酸鹽的可用性有關(guān)。H 2 S、pH和O 2微電極與濃度曲線(xiàn)建模和分子生物學(xué)技術(shù)結合使用(i)計算與硫酸鹽還原率(SRR)和硫化物氧化率(SOR)相關(guān)的本地微需氧生物膜的動(dòng)力學(xué)參數；(ii)在微尺度上將這些過(guò)程定位在生物膜內，以及(iii)檢測硝酸鹽給藥后生物膜微生物群落結構的可能變化。

Unisense微電極系統的應用

連接到微傳感器萬(wàn)用表的微電極安裝在計算機控制的顯微操縱器（MC-232，Unisense®）上，并以100μm的步進(jìn)分辨率向下驅動(dòng)進(jìn)入生物膜。使用控制程序Sensor TracePRO(Unisense®)完成的。氧微電極使用100%O2飽和人工廢水和缺氧廢水（飽和N 2水）。使用Unisense手冊上提供的飽和度值完成從飽和度到濃度的轉換。使用pH 4.0和7.0的商業(yè)pH緩沖液校準pH微電極。H2S微電極通過(guò)將已知體積的濃縮H2S儲備液(50 mM)添加到缺氧pH 4.0緩沖溶液中來(lái)校準。

實(shí)驗結果

在污水處理廠(chǎng)的基礎條件下，生物膜呈現出雙層系統。上部微需氧層（~300μm）顯示出低硫化物產(chǎn)量（0.31μmol cm-3 h-1）和耗氧率（0.01μmol cm-3 h-1）。缺氧下層顯示出高硫化物產(chǎn)量（2.7μmol cm-3 h-1）。添加硝酸鹽會(huì )降低硫化物的凈產(chǎn)率，這是由于上層硫化物氧化率(SOR)的增加，而不是抑制硫酸鹽還原菌(SRB)。這表明本地硝酸鹽還原硫化物氧化細菌（NR-SOB）立即被硝酸鹽激活。生物膜的功能垂直結構變?yōu)槿龑酉到y，其中先前在沒(méi)有硝酸鹽的情況下產(chǎn)生硫化物的上層分裂成兩個(gè)新層：1）上層消耗硫化物，其厚度可能由硝酸鹽在生物膜內的滲透深度。2)在某些情況下，中間層產(chǎn)生硫化物的速度甚至高于沒(méi)有硝酸鹽的情況。在這些層之下，較低的凈硫化物產(chǎn)生層保持不受影響。凈SOR從0.05μmol cm-3 h-1變化到0。取決于硝酸鹽和硫酸鹽的可用性。添加低濃度硝酸鹽可能會(huì )增加生物膜內硫酸鹽的可用性，并通過(guò)克服水相的硫酸鹽擴散限制以及SRB和NR-SOB同養關(guān)系之間的強耦合，導致凈硫酸鹽還原和凈硫化物氧化增加。

圖1、廢水生物膜中的垂直H2S、O2和pH曲線(xiàn)和模擬的反應速率。(a)1.5 mM硫酸鹽和無(wú)硝酸鹽的生物膜中的代表性H2S（三角形）、O2（圓形）和pH（菱形）分布；(b)和(c)分別模擬了O 2和H2S的濃度分布（粗黑線(xiàn)）和體積反應速率（灰色直線(xiàn)）。具有相同速率的深度決定了生物膜微分區。還指出了O 2消耗的面積率和硫化物凈產(chǎn)量（nmol cm-2 h-1）。

圖2、廢水生物膜中的硫化物動(dòng)力學(xué)。(a)隨著(zhù)硫酸鹽濃度的增加，具有代表性的垂直H 2 S濃度分布。(b)硫酸鹽濃度從0.5增加到1.5 mM的生物膜中硫化物濃度曲線(xiàn)隨時(shí)間演變的示例。(c)隨著(zhù)硫酸鹽濃度的增加，硫化物的凈面積產(chǎn)量（生物膜的前1.5毫米）。(d)深度積分的平均H2S濃度(μmol cm-2)±標準偏差隨硫酸鹽濃度的增加（對于0.5和20 mM SO4 2-，n=1，對于6和15 mM，n=4，n=其余5個(gè)）。從測量的H 2S計算綜合平均H 2 S濃度從表面到生物膜內1.5毫米深度剖面。從圖中可以看出生物膜內的穩態(tài)硫化物濃度明顯取決于上覆水相中硫酸鹽的可用性（圖2A）。硫化物生產(chǎn)和氧化過(guò)程對本體水相中硫酸鹽濃度的變化反應非常迅速（圖2B）。最大的變化發(fā)生在前30分鐘內（圖2B）。無(wú)論測定濃度如何，曲線(xiàn)在90分鐘內達到新的穩定狀態(tài)。

圖3、廢水生物膜中的最大氧氣滲透深度。（a）在本體水相中不同硫酸鹽濃度下生物膜中的最大氧氣穿透深度（Zox）和（b）生物膜中的最大氧氣穿透深度（Zox）作為上部生產(chǎn)層中硫化物產(chǎn)率的函數。條形代表平均值的標準偏差（從n=2（0.5和20 mM的滲透值）、8（6和15 mM的值）或10（其余）剖面的O2滲透深度。）。在每個(gè)圖中插入的是回歸線(xiàn)的斜率(a)、截距(b)和決定系數(R2)。從圖中可以看出，硫酸鹽的有效性極大地影響了氧氣向生物膜的滲透。盡管生物膜之間存在很大差異，但隨著(zhù)硫酸鹽濃度和凈硫化物產(chǎn)率的增加，進(jìn)入生物膜的最大氧氣深度(z O)線(xiàn)性下降。

圖4、不同濃度硫酸鹽和硝酸鹽修正下的廢水生物膜中H 2 S、O 2和pH值的垂直微觀(guān)剖面。(A)具有10 mM硫酸鹽和1 mM硝酸鹽的生物膜中的代表性H 2 S（三角形）、O 2（圓形）和pH（菱形）曲線(xiàn)以及(B)O 2和(C)H 2 S的模擬曲線(xiàn)）。真實(shí)用符號表示的數據和用粗黑線(xiàn)表示的模擬剖面?？颍ɑ疑€(xiàn)）代表體積呼吸（μmol cm-3h-1）和硫化物產(chǎn)生剖面。具有相同速率的深度決定了生物膜微分區。（B）面積率O2消耗量和(C)硫化物凈產(chǎn)量(nmol cm-2 h-1).(D,E和F)H 2S濃度的變化、建模曲線(xiàn)和體積凈硫化物產(chǎn)量隨深度顯示在下圖中，在10 mM硫酸鹽和從0到1 mM硝酸鹽的硝酸鹽濃度增加。在添加硝酸鹽的情況下，H2S曲線(xiàn)的數值模型顯示生物膜上部500μm的硫化物凈消耗，歸因于該層硫化物氧化增加。

圖5、不同濃度硝酸鹽(0-4 mM)修正的廢水生物膜中硫化物濃度與深度積分凈硫化物產(chǎn)率的關(guān)系。(a)深度積分的平均H 2 S濃度(μmol cm-2)±標準偏差和(b)不同硝酸鹽濃度下的深度積分凈H 2 S產(chǎn)率。插入的圖表顯示了擬合線(xiàn)性指數衰減方程（y=ae-bx，ln y=ln a-bx）的相同數據，其中b=-1.3840，ln a=-2.08，R 2=0.65（在2 mM硫酸鹽)和b=-1.3869，lna=-0.64和R 2=0.75（在10 mM硫酸鹽下）。硝酸鹽添加對硫化物的影響是濃度依賴(lài)性的，生物膜內的平均綜合硫化物濃度隨著(zhù)添加的硝酸鹽增加而降低（圖5A所示）。生物膜的空氣凈硫化物生產(chǎn)速率隨著(zhù)硝酸鹽濃度的增加而呈指數下降，這在2和10 mM硫酸鹽下具有相同斜率的一級動(dòng)力學(xué)（圖5B所示）。

結論與展望：硝酸鹽減少了污水處理廠(chǎng)(WWTP)中硫化物的釋放，但人們對它如何影響生物膜內相關(guān)微生物過(guò)程的微分區和動(dòng)力學(xué)知之甚少。本論文的研究人員使用微電極系統（unisense）在微需氧廢水生物膜中研究了添加硝酸鹽對硫酸鹽還原、硫化物氧化和氧氣呼吸的這些特性的影響。還進(jìn)行了質(zhì)量平衡計算和群落組成分析。相關(guān)研究表明在污水處理廠(chǎng)的基礎條件下，生物膜呈現出雙層系統。上部微需氧層（~300μm）顯示出低硫化物產(chǎn)量（0.31μmol cm-3 h-1）和耗氧率（0.01μmol cm-3 h-1）。缺氧下層顯示出高硫化物產(chǎn)量（2.7μmol cm-3 h-1）。添加硝酸鹽會(huì )降低硫化物的凈產(chǎn)率，這是由于上層硫化物氧化率(SOR)的增加，而不是抑制硫酸鹽還原菌(SRB)。這表明本地硝酸鹽還原硫化物氧化細菌的過(guò)程中（NR-SOB）立即被硝酸鹽激活。添加低濃度硝酸鹽可能會(huì )增加生物膜內硫酸鹽的可用性，并通過(guò)克服水相的硫酸鹽擴散限制以及SRB和NR-SOB同養關(guān)系之間的強耦合，導致凈硫酸鹽還原和凈硫化物氧化增加。