Mechanistic insights into CO2 pressure regulating microbial competition in a hydrogen-based membrane biofilm reactor for denitrification

氫基膜生物膜反硝化反應(yīng)器中 CO 2 壓力調(diào)節(jié)微生物競爭的機理見解

來源：Chemosphere 303 (2022) 134875

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文探討了 CO?壓力（0.002–0.016 MPa） 對氫氣膜生物膜反應(yīng)器（H?-MBfR）脫氮性能的調(diào)控機制。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

最佳CO?壓力為0.008 MPa，此時脫氮效率達96%（圖1），同時平衡了CO?作為碳源和pH緩沖劑的分配。

 

 

微生物競爭：高壓CO?（0.016 MPa）導(dǎo)致嗜酸硫酸鹽還原菌（SRB，如Desulfovibrio）富集，抑制脫氮菌（DNB）活性（圖4）。

 

數(shù)學(xué)模型成功模擬了生物膜內(nèi)底物梯度（H?、NO??、CO?）和微生物活性變化（圖5）。

 

 

2. 研究目的

 

量化CO?分配：明確CO?作為碳源（用于DNB和SRB）與pH調(diào)節(jié)劑（中和堿度、維持緩沖體系）的比例。

揭示微生物響應(yīng)機制：解析CO?壓力對生物膜群落結(jié)構(gòu)（如DNB/SRB競爭）和功能基因的影響。

建立理論模型：預(yù)測不同CO?壓力下生物膜微環(huán)境（底物梯度、微生物活性）。

 

3. 研究思路

 

采用實驗與模型結(jié)合的三階段策略：

 

短期實驗（階段2）：測試不同CO?壓力（0.002–0.02 MPa）對脫氮效率、pH、中間產(chǎn)物（NO??）的影響（圖1）。

長期實驗（階段1/3/4）：分析穩(wěn)態(tài)下微生物群落結(jié)構(gòu)（16S rRNA測序）和功能基因（PICRUSt預(yù)測）（圖4，表1）。

 

模型開發(fā)：校準(zhǔn)參數(shù)（如H?傳質(zhì)系數(shù)、微生物最大比生長速率），模擬生物膜內(nèi)底物分布和代謝活性（圖5）。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

（1）水質(zhì)與氣體參數(shù)

| 數(shù)據(jù)類別 | 測量方法   | 來源圖表 | 研究意義                                                                 

| 溶解H?濃度         | 丹麥Unisense H?微電極     | 圖5模擬基礎(chǔ)  | 量化電子供體限制：確認H?短缺（<0.002 mg/L）抑制DNB活性（2.3節(jié)）。       |

| 溶解無機碳（DIC）  | UIC CM150碳分析儀         | 圖2          | 解析CO?分配：計算碳源消耗（J<sub>uC</sub>）與緩沖劑剩余（J<sub>upH buffer</sub>）。 |

| pH值               | pH計（pHS-3C）           | 圖1, 圖3     | 關(guān)聯(lián)微生物活性：證實pH<7.0抑制DNB，促進SRB（3.2.1節(jié)）。                 |

| NO??、NO??、SO?2?濃度 | 離子色譜（ICS-1000）      | 圖1, 圖3     | 評估脫氮/硫酸鹽還原效率：高壓CO?導(dǎo)致SO?2?還原增強（3.2.1節(jié)）。          |

 

 

 

（2）微生物數(shù)據(jù)  

| 數(shù)據(jù)類別         | 測量方法          | 來源圖表 | 研究意義                                                                 

| 生物膜群落結(jié)構(gòu)       | 16S rRNA高通量測序   | 圖4  | 揭示種間競爭：0.016 MPa時SRB（*Desulfovibrio*）相對豐度升至2.42%（3.3.2節(jié)）。 |

| 功能基因豐度         | PICRUSt預(yù)測（KEGG）  | 表1          | 解釋代謝途徑變化：硝酸鹽還原酶基因（*narGHI*）減少，硫酸鹽還原酶基因（*sat*）增加（3.3.3節(jié)）。

 

 

 

5. 核心結(jié)論

CO?分配優(yōu)化：0.008 MPa時，CO?的72%用于DNB碳源和質(zhì)子補償（0.18 g C/(m2·d)），28%作為緩沖劑維持pH 7.4（0.21 g C/(m2·d)）（圖2）。

 

微生物競爭調(diào)控：

高壓CO?（0.016 MPa） → 生物膜酸化（pH 6.5）→ 嗜酸SRB競爭占優(yōu) → DNB豐度下降（Methyloversatilis從41.11%降至17.71%）（圖4）。

模型模擬：SRB在生物膜外層（0–260 μm）活性增強，DNB在內(nèi)層受H?限制（圖5d）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的意義：

原位監(jiān)測H?梯度：驗證模型準(zhǔn)確性（圖5a-c），明確生物膜內(nèi)電子供體分布。

指導(dǎo)操作優(yōu)化：實測H?濃度＜0.002 mg/L（半飽和常數(shù)）時需提高供氫壓力（3.1節(jié)），避免脫氮不完全。

 

6. Unisense微電極數(shù)據(jù)的詳細解讀

 

丹麥Unisense H?微電極（型號H? 10）的測量數(shù)據(jù)在研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用：

精準(zhǔn)量化溶解H?濃度：

直接檢測液相H?濃度（最低至0.001 mg/L），避免傳統(tǒng)頂空氣法的誤差（2.3節(jié)）。

實證H?限制效應(yīng)：0.01 MPa時H?濃度≈0.001 mg/L（＜DNB半飽和常數(shù)0.002 mg/L），導(dǎo)致脫氮效率僅67%。

 

校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型：

實測H?濃度作為關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，校準(zhǔn)模型中的H?傳質(zhì)系數(shù)（K<sub>m</sub>）和DNB比生長速率（μ<sub>DNB</sub>）（3.4.1節(jié)）。

支撐生物膜H?梯度模擬（圖5a-c）：揭示生物膜外層（0–100 μm）H?充足，深層（＞300 μm）因擴散限制可能匱乏。

 

優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計：

證實0.02 MPa為最佳H?壓力：此時溶解H?濃度（0.01–0.187 mg/L）平衡脫氮效率與抑制SRB競爭（3.1節(jié)）。

 

總結(jié)：本研究通過整合實驗測量（含Unisense微電極）與數(shù)學(xué)模型，闡明了CO?壓力通過調(diào)控pH和微生物競爭影響H?-MBfR脫氮性能的機制，為實際應(yīng)用中氣體供應(yīng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。