Sulfate reducing bacteria and their activities in oil sands process-affected water biofilm

硫酸鹽還原菌及其在含油砂中水生物膜的活性影響

來(lái)源：Science of the Total Environment 2015,536 , 116–122

 

論文摘要

摘要指出，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了生物膜反應(yīng)器，在添加了生長(zhǎng)培養(yǎng)基的油砂處理水中成功培養(yǎng)了厚度達(dá)1000微米的分層多物種生物膜。通過(guò)結(jié)合微傳感器和分子生物學(xué)技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原活性出現(xiàn)在生物膜的深層缺氧區(qū)（約在生物膜-水體界面以下750微米至1000微米處），并觀察到了H2S的生產(chǎn)。這表明在分層的生物膜深處發(fā)生了硫酸鹽還原。同時(shí)，該生物膜能夠同步去除化學(xué)需氧量、硫酸鹽和氮。

研究目的

本研究旨在探究在油砂處理水生物膜中，硫酸鹽還原菌的存在、功能多樣性及其潛在活性，并評(píng)估此類生物膜對(duì)油砂處理水的處理能力，為未來(lái)生物反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)提供信息。

研究思路

研究采用實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器培養(yǎng)與多技術(shù)驗(yàn)證的策略：

 

反應(yīng)器構(gòu)建與培養(yǎng)：建立兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物膜反應(yīng)器（R1和R2），分別使用純油砂處理水和補(bǔ)充了外部生長(zhǎng)培養(yǎng)基的油砂處理水進(jìn)行長(zhǎng)期（184天）培養(yǎng)，以在工程生物載體上形成生物膜。

水質(zhì)效能監(jiān)測(cè)：定期檢測(cè)反應(yīng)器進(jìn)出水中的化學(xué)需氧量、硫酸鹽、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度，評(píng)估生物膜對(duì)污染物的整體去除效率。

微生物群落與活性分析：

 

使用丹麥Unisense微電極對(duì)生物膜進(jìn)行原位測(cè)量，獲取溶解氧、H?S、pH和氧化還原電位的垂直剖面。

 

基于功能基因進(jìn)行分子生物學(xué)分析，包括利用dsrB基因進(jìn)行變性梯度凝膠電泳以研究SRB群落多樣性，以及實(shí)時(shí)定量PCR以量化SRB的豐度。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來(lái)源）

 

化學(xué)需氧量去除效率：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：反應(yīng)器R2（補(bǔ)充培養(yǎng)基）的化學(xué)需氧量從約869 mg/L顯著降至78 mg/L，而R1（純油砂處理水）的去除率很低（約7%）。

研究意義：證明在補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)條件下，培養(yǎng)出的厚生物膜能有效降解油砂處理水中的有機(jī)物，為生物強(qiáng)化處理提供了依據(jù)。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2展示了整個(gè)運(yùn)行期間反應(yīng)器R1和R2的進(jìn)出水化學(xué)需氧量濃度。

 

硫酸鹽與氮的去除/轉(zhuǎn)化：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：在R2中，硫酸鹽濃度從80 mg/L降至64 mg/L（約移除20%）；銨態(tài)氮先升后降，硝態(tài)氮濃度上升，總氮從92 mg/L降至45 mg/L。

研究意義：硫酸鹽的降低直接證明了生物膜中發(fā)生了硫酸鹽還原反應(yīng)。氮形態(tài)的變化表明生物膜內(nèi)同時(shí)存在氮化作用（有機(jī)氮轉(zhuǎn)為銨態(tài)氮）和硝化作用（銨態(tài)氮轉(zhuǎn)為硝態(tài)氮），總氮的下降則可能涉及反硝化等過(guò)程，顯示了生物膜處理多種污染物的綜合能力。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：硫酸鹽數(shù)據(jù)來(lái)自圖3；氮物種數(shù)據(jù)來(lái)自圖4。

 

微傳感器剖面數(shù)據(jù)（O?, H?S, pH, ORP）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Unisense微電極測(cè)量顯示，在1000微米厚的生物膜中，溶解氧在界面下約800微米處耗盡，形成一個(gè)約200微米厚的缺氧區(qū)。H?S在深層缺氧區(qū)（750-1000微米）被檢測(cè)到并逐漸增加。pH變化輕微，氧化還原電位從界面處的+410 mV降至深層-110 mV。

研究意義：這些高分辨率數(shù)據(jù)直接揭示了生物膜內(nèi)部嚴(yán)格的化學(xué)分層結(jié)構(gòu)，為SRB的生存和活動(dòng)（需要缺氧和低氧化還原電位環(huán)境）提供了直接的微環(huán)境證據(jù)。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖5展示了溶解氧、pH、氧化還原電位和H?S的垂直剖面。

 

H?S凈生產(chǎn)/消耗速率：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：基于H?S剖面數(shù)據(jù)，通過(guò)菲克第二擴(kuò)散定律計(jì)算得出，在界面下850微米處H?S生產(chǎn)速率最高，而在650-800微米處存在H?S的消耗（氧化）。

研究意義：不僅定位了SRB最活躍的區(qū)域，還揭示了生物膜內(nèi)部硫循環(huán)的復(fù)雜性，即同時(shí)存在硫酸鹽還原（產(chǎn)生H?S）和硫化物氧化（消耗H?S）過(guò)程。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖6展示了H?S的凈消耗和生產(chǎn)速率剖面。

 

SRB群落多樣性與豐度：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：DGGE圖譜顯示SRB的條帶數(shù)量隨運(yùn)行時(shí)間增加；qPCR結(jié)果顯示dsrB基因拷貝數(shù)（即SRB豐度）在后期（P5, P6）約為前期（P3, P4）的五倍。

研究意義：從生物學(xué)角度證實(shí)了SRB群落在生物膜中的成功定殖和演替，其豐度變化與微傳感器觀測(cè)到的化學(xué)活性在時(shí)間上相吻合，強(qiáng)化了結(jié)論的可信度。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：DGGE指紋圖來(lái)自圖7；dsrB基因拷貝數(shù)來(lái)自圖8。

 

結(jié)論

 

成功在補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)的油砂處理水中培養(yǎng)出了厚度達(dá)1000微米的多物種生物膜。

該生物膜能夠同步去除化學(xué)需氧量、硫酸鹽和氮，展現(xiàn)出處理油砂處理水的潛力。

微傳感器和分子生物學(xué)證據(jù)共同表明，SRB主要存在于生物膜的深層缺氧區(qū)，并在那里進(jìn)行硫酸鹽還原活動(dòng)，產(chǎn)生H?S。

 

SRB群落的多樣性和豐度隨著生物膜的成熟而增加。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的微電極（包括H?S、溶解氧、pH和氧化還原電位微電極）進(jìn)行了關(guān)鍵的原位測(cè)量，這些數(shù)據(jù)的研究意義如下：

 

實(shí)現(xiàn)無(wú)損的原位測(cè)量：Unisense微電極的針尖直徑極小（50微米），能夠刺入生物膜而不嚴(yán)重破壞其結(jié)構(gòu)，從而獲取了生物膜內(nèi)部真實(shí)、原位的化學(xué)微環(huán)境信息。傳統(tǒng)方法需要破壞生物膜進(jìn)行分層取樣，無(wú)法反映活體生物膜的實(shí)際狀況。本研究中的圖5直觀展示了這一點(diǎn)。

直接證實(shí)生物膜的分層結(jié)構(gòu)與SRB的生態(tài)位：溶解氧微電極的數(shù)據(jù)清晰顯示了一個(gè)有氧表層和深層缺氧區(qū)，這解釋了為什么好氧和厭氧微生物（如SRB）能在同一生物膜中共存。H?S微電極的數(shù)據(jù)直接將SRB的活性定位在深層缺氧區(qū)（750-1000微米），這是證明SRB在如此厚的油砂處理水生物膜中起作用的最直接證據(jù)。

揭示代謝活動(dòng)的微環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制：氧化還原電位微電極測(cè)量到深層氧化還原電位低至-110 mV，這正好滿足SRB活動(dòng)的條件（通常低于-100 mV）。這從環(huán)境化學(xué)角度解釋了SRB能在該區(qū)域活躍的原因。pH微電極顯示變化不大，排除了因pH劇烈變化抑制微生物活動(dòng)的可能性。

 

量化SRB的活性并揭示硫循環(huán)：基于H?S微電極的剖面數(shù)據(jù)，通過(guò)擴(kuò)散反應(yīng)模型計(jì)算出的H?S生產(chǎn)速率（圖6），將觀測(cè)從“存在H?S”提升到“量化SRB活性”的層面。同時(shí)，識(shí)別出在較淺深度（650-800微米）存在的H?S消耗區(qū)，表明生物膜中還存在好氧或厭氧的硫氧化細(xì)菌，揭示了復(fù)雜的硫素循環(huán)，這對(duì)理解生物膜的整體功能至關(guān)重要。

 

總之，Unisense微電極提供的高分辨率空間化學(xué)數(shù)據(jù)，是連接生物膜物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)環(huán)境與微生物功能（特別是SRB活性）之間的橋梁。它使研究者能夠“看到”生物膜內(nèi)部正在發(fā)生的反應(yīng)，極大地增強(qiáng)了對(duì)油砂處理水生物膜處理機(jī)制的理解，并為優(yōu)化生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)（如控制溶解氧以引導(dǎo)SRB活性）提供了科學(xué)依據(jù)。