Biofilm stratification in counter-diffused membrane biofilm bioreactors (MBfRs) for aerobic methane oxidation coupled to aerobic/anoxic denitrification

逆擴散膜生物膜生物反應器(MBfRs)中的生物膜分層 與好氧甲烷氧化耦合的好氧缺氧反硝化的影響氧氣壓力的影響

來源：Water Research 226 (2022) 119243

 

摘要核心內容

 

本研究通過調控膜曝氣生物膜反應器（MBfR）中的氧分壓，探究其對反擴散生物膜結構、空間分層及微生物協作機制的影響：

 

氧分壓調控：氧分壓（1.1–6.6 psig）顯著影響生物膜厚度（93–206 μm）和空間分層（圖1）。

 

 

最佳性能：氧分壓5.5 psig（25% O?）時，生物膜形成最佳好氧/缺氧層平衡（好氧層120 μm），硝酸鹽去除通量達370 mg-N·m?2·d?1（圖4b）。

 

 

分層機制：

 

好氧層：富集好氧甲烷氧化菌（Methylococcaceae），完成CH?氧化（圖2, 圖6）。

 

 

缺氧層：富集反硝化菌（Comamonadaceae），實現硝酸鹽還原（圖7）。

 

 

協同路徑：首次通過FISH（圖5c）和宏基因組（圖6-7）證實好氧甲烷氧化菌、好氧反硝化菌（Rhodocyclaceae）和缺氧反硝化菌的三元協作機制（圖8）。

 

 

 

 

研究目的

 

揭示氧分壓影響：闡明氧分壓如何調控反擴散生物膜的發育、空間分層及功能微生物分布。

 

解析協同機制：明確好氧甲烷氧化耦合反硝化（AME-D）過程中微生物的協作路徑。

 

優化工藝參數：確定最佳氧分壓以提升硝酸鹽去除效率及甲烷利用效率。

 

研究思路

 

采用 “多組平行反應器→原位表征→多組學驗證”策略：

 

反應器設計：

 

構建6組MBfR，施加梯度氧分壓（1.1–6.6 psig），通入CH?/O?/He混合氣（表2）。

 

 

監測硝酸鹽去除通量、溶解氧（DO）及TOC變化（圖4）。

 

生物膜原位表征：

 

OCT+CLSM：動態觀測生物膜厚度、覆蓋率（圖1）。

 

微電極：測量生物膜內DO梯度（Unisense電極，圖5a）。

 

FISH：定位好氧甲烷氧化菌（紅色）與反硝化菌（藍色）的空間分布（圖5c）。

 

多組學分析：

 

16S rRNA測序：分析微生物群落結構（圖2）。

 

宏基因組：鑒定甲烷氧化（pmoA, mxaF）和反硝化功能基因（narG, napA）（圖6-7）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 生物膜結構與動態發育（圖1）

 

數據：

氧分壓5.5 psig時生物膜最厚（206.2±13.4 μm），覆蓋率>91%。

高氧分壓（6.6 psig）導致生物膜顆粒狀聚集（減少氧暴露）。

意義：證實氧分壓是調控生物膜形態的關鍵參數，為優化生物膜厚度提供依據。

 

2. 微生物群落演替（圖2）

 

數據：

好氧甲烷氧化菌（Methylococcaceae）相對豐度隨氧分壓升高而增加（R5: 36.7%）。

反硝化菌（Comamonadaceae）在5.5 psig時豐度最高（21.5%）。

意義：氧分壓通過調控功能菌豐度直接影響AME-D效率。

 

3. EPS組成變化（圖3）

 

數據：

蛋白質和多糖含量隨氧分壓升高而增加（R5: 蛋白45.2 mg/gVSS，多糖38.7 mg/gVSS）。

三維熒光顯示色氨酸類物質（Peak A）為主要EPS組分。

意義：EPS增強生物膜結構穩定性，支持微生物在高壓氧環境下的存活。

 

4. 硝酸鹽去除性能（圖4）

 

數據：

氧分壓5.5 psig時硝酸鹽去除通量最高（370 mg-N·m?2·d?1），較1.1 psig提升45%。

DO>0.36 mg/L（6.6 psig）抑制反硝化活性。

意義：確立最佳氧分壓操作窗口（5.5 psig），避免氧抑制并最大化脫氮效率。

 

5. 空間分層與微生物分布（圖5）

 

數據：

FISH顯示好氧甲烷氧化菌富集于膜表面（0–120 μm），反硝化菌分布于深層（>120 μm）。

Rhodocyclaceae（好氧反硝化菌）在好氧層占比達15.3%（圖5c）。

意義：揭示生物膜分區代謝機制——好氧層氧化CH?，缺氧層進行反硝化。

 

Unisense微電極數據的專項解讀

技術原理

 

Unisense微電極（OX-10型）通過10 μm尖端原位測量生物膜內DO梯度：

高分辨率：以5 μm步進掃描，精度±0.05 mg/L。

無擾動：避免破壞生物膜原始結構。

核心發現（圖5a）

DO梯度特征：

膜界面（0 μm）DO最高（2.75 mg/L @6.6 psig），隨深度增加呈指數下降。

缺氧層起始深度：120 μm（5.5 psig）→ 55 μm（1.1 psig）。

分層閾值：

DO<0.5 mg/L定義為缺氧層（反硝化活躍區）。

 

5.5 psig時缺氧層厚度占比達43%（88.6 μm/206.2 μm）。

 

研究意義

機制驗證：

首次原位證實反擴散生物膜內存在嚴格的好氧/缺氧分區（圖5a）。

解釋為何5.5 psig性能最優：好氧層厚度（120 μm）足以支持CH?氧化，同時保證缺氧層完全耗盡DO（最低0.07 mg/L）。

工藝優化：

DO梯度數據指導氧分壓設定——維持好氧層DO 1.5–2.0 mg/L（對應5.5 psig），避免深層氧殘留抑制反硝化。

 

模型校準：

提供生物膜內氧傳質系數（如擴散通量2.8×10?? mol·m?2·s?1），用于預測分區邊界。

 

結論

氧分壓的核心作用：5.5 psig為最佳值，平衡生物膜好氧/缺氧層比例，實現最高脫氮效率。

生物膜分區機制：好氧層（Methylococcaceae）完成CH?氧化，缺氧層（Comamonadaceae）進行反硝化，Rhodocyclaceae在好氧層介導好氧反硝化。

工程啟示：MBfR可通過調控氧分壓優化生物膜結構，適用于低碳氮比廢水處理。

 

總結：Unisense微電極通過原位解析生物膜微環境氧梯度，為反擴散生物膜的分區代謝理論提供了直接證據，并為MBfR的氧分壓優化提供了精準調控依據。