背景介绍:硫酸盐还原菌(SRB)通过在缺氧条件下将H2S的产生与有机化合物的氧化耦合，在硫和碳循环中发挥重要作用。SRB产生的硫化物是一个严重的环境问题（例如难闻的气味、毒性和金属腐蚀），在多个行业（例如石化、食品、饮用水、废水处理）中具有重要的经济后果。添加硝酸盐被认为是控制硫化物含量的最佳选择之一。在这些行业中，硫化物的产生通常发生在微需氧或有氧条件下生长的生物膜内硝酸盐减少了污水处理厂(WWTP)中硫化物的释放，但人们对它如何影响生物膜内相关微生物过程的微分区和动力学知之甚少。本论文的研究人员使用微电极系统（unisense）在微需氧废水生物膜中研究了添加硝酸盐对硫酸盐还原、硫化物氧化和氧气呼吸的这些特性的影响。实验的目的是详细研究在大型污水处理厂中生长的生物膜中微米级净硫化物产生的动力学，与上覆水相中硫酸盐和硝酸盐的可用性有关。H 2 S、pH和O 2微电极与浓度曲线建模和分子生物学技术结合使用(i)计算与硫酸盐还原率(SRR)和硫化物氧化率(SOR)相关的本地微需氧生物膜的动力学参数；(ii)在微尺度上将这些过程定位在生物膜内，以及(iii)检测硝酸盐给药后生物膜微生物群落结构的可能变化。


Unisense微电极系统的应用


连接到微传感器万用表的微电极安装在计算机控制的显微操纵器（MC-232，Unisense®）上，并以100μm的步进分辨率向下驱动进入生物膜。使用控制程序Sensor TracePRO(Unisense®)完成的。氧微电极使用100%O2饱和人工废水和缺氧废水（饱和N 2水）。使用Unisense手册上提供的饱和度值完成从饱和度到浓度的转换。使用pH 4.0和7.0的商业pH缓冲液校准pH微电极。H2S微电极通过将已知体积的浓缩H2S储备液(50 mM)添加到缺氧pH 4.0缓冲溶液中来校准。


实验结果


在污水处理厂的基础条件下，生物膜呈现出双层系统。上部微需氧层（~300μm）显示出低硫化物产量（0.31μmol cm-3 h-1）和耗氧率（0.01μmol cm-3 h-1）。缺氧下层显示出高硫化物产量（2.7μmol cm-3 h-1）。添加硝酸盐会降低硫化物的净产率，这是由于上层硫化物氧化率(SOR)的增加，而不是抑制硫酸盐还原菌(SRB)。这表明本地硝酸盐还原硫化物氧化细菌（NR-SOB）立即被硝酸盐激活。生物膜的功能垂直结构变为三层系统，其中先前在没有硝酸盐的情况下产生硫化物的上层分裂成两个新层：1）上层消耗硫化物，其厚度可能由硝酸盐在生物膜内的渗透深度。2)在某些情况下，中间层产生硫化物的速度甚至高于没有硝酸盐的情况。在这些层之下，较低的净硫化物产生层保持不受影响。净SOR从0.05μmol cm-3 h-1变化到0。取决于硝酸盐和硫酸盐的可用性。添加低浓度硝酸盐可能会增加生物膜内硫酸盐的可用性，并通过克服水相的硫酸盐扩散限制以及SRB和NR-SOB同养关系之间的强耦合，导致净硫酸盐还原和净硫化物氧化增加。

图1、废水生物膜中的垂直H2S、O2和pH曲线和模拟的反应速率。(a)1.5 mM硫酸盐和无硝酸盐的生物膜中的代表性H2S（三角形）、O2（圆形）和pH（菱形）分布；(b)和(c)分别模拟了O 2和H2S的浓度分布（粗黑线）和体积反应速率（灰色直线）。具有相同速率的深度决定了生物膜微分区。还指出了O 2消耗的面积率和硫化物净产量（nmol cm-2 h-1）。

图2、废水生物膜中的硫化物动力学。(a)随着硫酸盐浓度的增加，具有代表性的垂直H 2 S浓度分布。(b)硫酸盐浓度从0.5增加到1.5 mM的生物膜中硫化物浓度曲线随时间演变的示例。(c)随着硫酸盐浓度的增加，硫化物的净面积产量（生物膜的前1.5毫米）。(d)深度积分的平均H2S浓度(μmol cm-2)±标准偏差随硫酸盐浓度的增加（对于0.5和20 mM SO4 2-，n=1，对于6和15 mM，n=4，n=其余5个）。从测量的H 2S计算综合平均H 2 S浓度从表面到生物膜内1.5毫米深度剖面。从图中可以看出生物膜内的稳态硫化物浓度明显取决于上覆水相中硫酸盐的可用性（图2A）。硫化物生产和氧化过程对本体水相中硫酸盐浓度的变化反应非常迅速（图2B）。最大的变化发生在前30分钟内（图2B）。无论测定浓度如何，曲线在90分钟内达到新的稳定状态。

图3、废水生物膜中的最大氧气渗透深度。（a）在本体水相中不同硫酸盐浓度下生物膜中的最大氧气穿透深度（Zox）和（b）生物膜中的最大氧气穿透深度（Zox）作为上部生产层中硫化物产率的函数。条形代表平均值的标准偏差（从n=2（0.5和20 mM的渗透值）、8（6和15 mM的值）或10（其余）剖面的O2渗透深度。）。在每个图中插入的是回归线的斜率(a)、截距(b)和决定系数(R2)。从图中可以看出，硫酸盐的有效性极大地影响了氧气向生物膜的渗透。尽管生物膜之间存在很大差异，但随着硫酸盐浓度和净硫化物产率的增加，进入生物膜的最大氧气深度(z O)线性下降。

图4、不同浓度硫酸盐和硝酸盐修正下的废水生物膜中H 2 S、O 2和pH值的垂直微观剖面。(A)具有10 mM硫酸盐和1 mM硝酸盐的生物膜中的代表性H 2 S（三角形）、O 2（圆形）和pH（菱形）曲线以及(B)O 2和(C)H 2 S的模拟曲线）。真实用符号表示的数据和用粗黑线表示的模拟剖面。框（灰色线）代表体积呼吸（μmol cm-3h-1）和硫化物产生剖面。具有相同速率的深度决定了生物膜微分区。（B）面积率O2消耗量和(C)硫化物净产量(nmol cm-2 h-1).(D,E和F)H 2S浓度的变化、建模曲线和体积净硫化物产量随深度显示在下图中，在10 mM硫酸盐和从0到1 mM硝酸盐的硝酸盐浓度增加。在添加硝酸盐的情况下，H2S曲线的数值模型显示生物膜上部500μm的硫化物净消耗，归因于该层硫化物氧化增加。

图5、不同浓度硝酸盐(0-4 mM)修正的废水生物膜中硫化物浓度与深度积分净硫化物产率的关系。(a)深度积分的平均H 2 S浓度(μmol cm-2)±标准偏差和(b)不同硝酸盐浓度下的深度积分净H 2 S产率。插入的图表显示了拟合线性指数衰减方程（y=ae-bx，ln y=ln a-bx）的相同数据，其中b=-1.3840，ln a=-2.08，R 2=0.65（在2 mM硫酸盐)和b=-1.3869，lna=-0.64和R 2=0.75（在10 mM硫酸盐下）。硝酸盐添加对硫化物的影响是浓度依赖性的，生物膜内的平均综合硫化物浓度随着添加的硝酸盐增加而降低（图5A所示）。生物膜的空气净硫化物生产速率随着硝酸盐浓度的增加而呈指数下降，这在2和10 mM硫酸盐下具有相同斜率的一级动力学（图5B所示）。


结论与展望：硝酸盐减少了污水处理厂(WWTP)中硫化物的释放，但人们对它如何影响生物膜内相关微生物过程的微分区和动力学知之甚少。本论文的研究人员使用微电极系统（unisense）在微需氧废水生物膜中研究了添加硝酸盐对硫酸盐还原、硫化物氧化和氧气呼吸的这些特性的影响。还进行了质量平衡计算和群落组成分析。相关研究表明在污水处理厂的基础条件下，生物膜呈现出双层系统。上部微需氧层（~300μm）显示出低硫化物产量（0.31μmol cm-3 h-1）和耗氧率（0.01μmol cm-3 h-1）。缺氧下层显示出高硫化物产量（2.7μmol cm-3 h-1）。添加硝酸盐会降低硫化物的净产率，这是由于上层硫化物氧化率(SOR)的增加，而不是抑制硫酸盐还原菌(SRB)。这表明本地硝酸盐还原硫化物氧化细菌的过程中（NR-SOB）立即被硝酸盐激活。添加低浓度硝酸盐可能会增加生物膜内硫酸盐的可用性，并通过克服水相的硫酸盐扩散限制以及SRB和NR-SOB同养关系之间的强耦合，导致净硫酸盐还原和净硫化物氧化增加。