背景介绍:人类社会迅速向城市化，工业化和农业活动迈进，已将各种含氮污染物（如硝酸盐和氨）引入环境。氮污染会带来严重的环境问题，例如水的富营养化，水质恶化以及对人类或动物健康的潜在危害。已经开发了不同的反硝化技术，特别是生物反硝化技术，以从水环境中去除硝酸盐污染物。近年来，微生物燃料电池已被广泛用于废水处理研究。以及微生物燃料电池和反硝化过程的组合也可以归为BER的一种类型。通常认为溶解氧（DO）和pH是影响BER反硝化性能的最重要因素。还评估了可能改变细菌活性并依次影响反硝化过程的电流密度。尽管电势是另一个影响BER性能的操作参数，但对电势对生物膜的影响关注甚少。此外大多数研究报告了整个反应器的性能，很少研究研究了电势对生物膜微环境的影响。本论文研究的目的是量化在不同电势和pH值下电极表面反硝化生物膜的微环境变化。unisense微电极系统被认为是分析生物聚集体/生物膜微环境的有力工具，研究人员开发了用于反硝化过程的异养生物膜，并实现了稳定的总氮去除效率（>80％）。


Unisense微电极系统的应用


将三片带有生物膜（4cm2）的碳毡从反应器中的碳毡上小心地切下。使用尖端直径为50微米的pH和N2O微电极（UNISENSE）来穿透生物膜，并测量微环境的pH值和N2O。使用微剖面分析系统（Unisense）来控制渗透和获取数据。在每次测量之前，微电极极化至少要持续100分钟，以使测试生物膜时达到稳定的电流。微电极测量的步径为50μm，由电动马达控制。对于每个测量点，微电极等待10 s，然后测量10 s，然后移至下一个点。随机选择每个生物膜上的三个位点并进行测量以检查可重复性。测量期间的温度控制在25±0.5°C。

图1、微电极测量生物膜的示意图。RE1，WE和CE分别是三电极系统的Ag/AgCl参比电极，工作电极和对电极。ME是用于测量的微电极，Motor用于控制渗透深度，RE2是仅用于pH微电极测量的Ag/AgCl参比电极。

图2、pH 7.3和9.5下反硝化生物膜的循环伏安法。空白是1 cm 2的无细菌碳毡，用作工作电极。扫描速率为10 mV s-1。

图3、在过去2周内反硝化生物膜的培养过程中，反应器中总氮的稳定去除。

图4。本体溶液的pH分别为7.3（a）和9.5（b）时，生物膜中微环境pH的分布。图像中的“无”表示没有施加电势。显示了在不同生物膜深度的pH值变化。当本体溶液的pH为7.3时，在1700μm深度处，pH值从生物膜表面的7.1降低至6.8。当本体溶液的pH为9.5时，生物膜的微环境pH从9.3降低至7.2，变化范围是pH 7.3的六倍。此外，生物膜在不同电位下对微环境pH值显示不同的影响。在相同深度的生物膜上，-0.2 V时生物膜的pH值高于对照组。然而，当本体溶液的pH值为9.5时，-0.4 V的电势对生物膜pH的影响很小。

图5、N2O在生物膜中的空间分布具有不同的恒定电位，分别在pH 7.3（a）和9.5（b）下培养。插图（a）在y轴上显示了一个较小范围内的数据，以使N2O浓度的变化更加明显。图像中的“无”表示没有施加电势。显示了在不同深度的生物膜中N2O浓度的分布。当本体溶液的pH为7.3时，生物膜中的N2O浓度随着深度从600变化至1100μm而从2增加至90μM，然后在深度为1600μm时减少至75μM。这表明，随着深度从600μm增加到1100μm，NO还原酶的活性增加，而N2O还原酶的活性下降。将本体溶液的pH调节至9.5时，随着深度从0增加到500μm，生物膜中的N2O浓度从10μM增加到21μM。之后它降低到2μM。


结论与展望：本论研究人员应用pH和一氧化二氮（N2O）微电极（unisense）对反硝化生物膜的微环境进行原位分析。在对所获得的测量数据分析可以看出微环境pH随生物膜深度的变化而降低。当本体溶液的pH值为7.3时，在生物膜中检测到N2O最高浓度为90μM，且施加-0.2 V的电位不会降低pH 7.3时生物膜中N2O的产率。然而当pH 9.5或施加-0.4 V电势似乎并未抑制生物膜中N2O的产率。研究人员为了量化在不同电势和pH值下电极表面反硝化生物膜的微环境变化，使用了unisense微电极研究系统分别测量了电极表面生物膜中的pH和N2O浓度。unisense微电极剖面分析系统被认为是分析生物聚集体/生物膜微环境的有力工具，在本论文研究过程中研究人员将pH和一氧化二氮（N2O）的微电极应用于生物聚集体/生物膜的微环境分析。通过使用unisense微电极证明了电势对反硝化生物膜微环境中pH和N2O浓度的影响，并且也证明了电子是可以在电极和生物膜之间转移，硝酸盐可以通过使用电极作为电子供体的异养生物膜去除。而电势和pH是实现BER中高氮去除效率的两个重要因素。