Cu removal and response mechanisms of periphytic biofilms in a tubular bioreactor

管式生物反應器中周叢生物膜對銅的去除及響應機制

來源：Bioresource Technology, Volume 248, 2018, Pages 61-67

《生物資源技術》第248卷，2018年，第61-67頁

 

摘要

這篇論文研究了在管式生物反應器中，周叢生物膜對銅（Cu）的去除能力及其響應機制。研究使用固定在管式生物反應器中的周叢生物膜來處理不同Cu濃度的廢水。結果表明，在水力停留時間（HRT）為12小時、初始Cu濃度為2.0和10.0 mg L-1的條件下，周叢生物膜對Cu的去除效率最高可達99%。周叢生物膜通過調節群落組成快速適應Cu脅迫，暴露于Cu時，群落的物種豐富度、均勻度和碳代謝多樣性均增加。硅藻、綠藻和細菌（如Gammaproteobacteria和Bacteroidia）是優勢微生物，負責Cu的去除。這表明周叢生物膜因其對Cu毒性的強適應能力，在廢水Cu去除中具有潛力。

 

研究目的

本研究的目的有兩個：一是研究周叢生物膜在不同初始Cu濃度下的Cu去除能力；二是研究周叢生物膜對不同Cu濃度的響應機制。這旨在深入理解周叢生物膜對Cu毒性的響應機制以及微生物群落與重金屬脅迫之間的關系，為生物法去除廢水中的重金屬提供理論基礎。

 

研究思路

研究思路包括：首先，制備人工廢水并構建螺旋管式生物反應器，在反應器內培養周叢生物膜；然后，進行Cu去除實驗，使用不同Cu濃度（2和10 mg L-1）的廢水，在HRT為12小時的條件下運行反應器，定期收集進出水樣品；最后，通過測量Cu濃度、pH、葉綠素a含量、微生物群落組成和碳代謝多樣性等參數，分析Cu去除效率和生物膜的響應機制。實驗在控制溫度、光照條件下進行，并使用統計方法比較差異。

 

測量的數據及研究意義

1 Cu去除效率數據，來自圖1。研究意義是直接評估周叢生物膜在管式生物反應器中對Cu的去除能力，顯示其高效性（最大99%），為生物法處理重金屬廢水提供實踐依據。

 

2 pH變化數據，來自圖1。研究意義是通過pH下降反映Cu脅迫對光能自養生物光合作用的抑制效應，幫助理解Cu毒性對微生物生理的影響。

3 葉綠素a含量數據，包括總葉綠素a、綠藻葉綠素a和硅綠葉綠素a，來自圖2。研究意義是評估Cu脅迫下光能自養生物的生長狀態和群落結構變化，表明不同物種（如硅藻比綠藻更耐Cu）對脅迫的響應差異。

 

4 微生物群落組成數據，來自圖3。研究意義是揭示周叢生物膜通過調節群落結構（如Gammaproteobacteria和Bacteroidia成為優勢菌）適應Cu脅迫的機制，突出微生物多樣性與重金屬耐受性的關系。

 

5 碳代謝數據，包括平均孔顏色發展（AWCD）和碳源利用模式，來自圖4，以及代謝多樣性指數（如Shannon-Wiener指數），來自表2。研究意義是表征微生物群落的代謝活性和多樣性變化，表明Cu暴露刺激了碳利用效率，反映了生物膜的整體功能適應性。

 

 

結論

周叢生物膜在管式生物反應器中對不同初始Cu濃度均具有高去除效率（最高99%），這歸因于其群落的強耐受和適應能力；生物膜通過快速調節群落組成（如增加Gammaproteobacteria和Bacteroidia比例）適應Cu脅迫，并伴隨碳代謝活性的提高；硅藻、綠藻和特定細菌是Cu去除的關鍵微生物；該研究支持周叢生物膜在重金屬廢水處理中的應用潛力。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（型號PHM210）測量出水pH值的數據，其研究意義在于通過監測pH變化間接評估Cu脅迫對周叢生物膜中光能自養生物生理活動的影響。pH下降表明Cu抑制了光合作用，導致CO2消耗減少，從而影響水化學環境；這有助于理解重金屬毒性對微生物代謝的連鎖效應，并為優化生物反應器運行參數（如HRT）提供指標，確保處理效率。