背景介紹:硫酸鹽還原菌(SRB)通過在缺氧條件下將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)生的硫化物是一個嚴重的環(huán)境問題（例如難聞的氣味、毒性和金屬腐蝕），在多個行業(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的生物膜內(nèi)硝酸鹽減少了污水處理廠(WWTP)中硫化物的釋放，但人們對它如何影響生物膜內(nèi)相關微生物過程的微分區(qū)和動力學知之甚少。本論文的研究人員使用微電極系統(tǒng)（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。實驗的目的是詳細研究在大型污水處理廠中生長的生物膜中微米級凈硫化物產(chǎn)生的動力學，與上覆水相中硫酸鹽和硝酸鹽的可用性有關。H 2 S、pH和O 2微電極與濃度曲線建模和分子生物學技術結(jié)合使用(i)計算與硫酸鹽還原率(SRR)和硫化物氧化率(SOR)相關的本地微需氧生物膜的動力學參數(shù)；(ii)在微尺度上將這些過程定位在生物膜內(nèi)，以及(iii)檢測硝酸鹽給藥后生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)的可能變化。

Unisense微電極系統(tǒng)的應用

連接到微傳感器萬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的步進分辨率向下驅(qū)動進入生物膜。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(zhuǎn)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緩沖溶液中來校準。

實驗結(jié)果

在污水處理廠的基礎條件下，生物膜呈現(xiàn)出雙層系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)變?yōu)槿龑酉到y(tǒng)，其中先前在沒有硝酸鹽的情況下產(chǎn)生硫化物的上層分裂成兩個新層：1）上層消耗硫化物，其厚度可能由硝酸鹽在生物膜內(nèi)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增加生物膜內(nèi)硫酸鹽的可用性，并通過克服水相的硫酸鹽擴散限制以及SRB和NR-SOB同養(yǎng)關系之間的強耦合，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曲線和模擬的反應速率。(a)1.5 mM硫酸鹽和無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）和體積反應速率（灰色直線）。具有相同速率的深度決定了生物膜微分區(qū)。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力學。(a)隨著硫酸鹽濃度的增加，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隨時間演變的示例。(c)隨著硫酸鹽濃度的增加，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）。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(nèi)1.5毫米深度剖面。從圖中可以看出生物膜內(nèi)的穩(wěn)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(nèi)（圖2B）。無論測定濃度如何，曲線在90分鐘內(nèi)達到新的穩(wěn)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(shù)。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。）。在每個圖中插入的是回歸線的斜率(a)、截距(b)和決定系數(shù)(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，但隨著硫酸鹽濃度和凈硫化物產(chǎn)率的增加，進入生物膜的最大氧氣深度(z O)線性下降。

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）曲線以及(B)O 2和(C)H 2 S的模擬曲線）。真實用符號表示的數(shù)據(jù)和用粗黑線表示的模擬剖面?？颍ɑ疑€）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(qū)。（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曲線的數(shù)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性指數(shù)衰減方程（y=ae-bx，ln y=ln a-bx）的相同數(shù)據(jù)，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性的，生物膜內(nèi)的平均綜合硫化物濃度隨著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)速率隨著硝酸鹽濃度的增加而呈指數(shù)下降，這在2和10 mM硫酸鹽下具有相同斜率的一級動力學（圖5B所示）。

結(jié)論與展望：硝酸鹽減少了污水處理廠(WWTP)中硫化物的釋放，但人們對它如何影響生物膜內(nèi)相關微生物過程的微分區(qū)和動力學知之甚少。本論文的研究人員使用微電極系統(tǒng)（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。還進行了質(zhì)量平衡計算和群落組成分析。相關研究表明在污水處理廠的基礎條件下，生物膜呈現(xiàn)出雙層系統(tǒng)。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程中（NR-SOB）立即被硝酸鹽激活。添加低濃度硝酸鹽可能會增加生物膜內(nèi)硫酸鹽的可用性，并通過克服水相的硫酸鹽擴散限制以及SRB和NR-SOB同養(yǎng)關系之間的強耦合，導致凈硫酸鹽還原和凈硫化物氧化增加。