Estimation of oxygen effective diffusion coefficient in a non-steady-state biofilm based on response time

基于響應時間的非穩態生物膜中氧氣有效擴散系數估計

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 25, 2018, Pages 9797-9805

《環境科學與污染研究》第25卷，2018年，第9797-9805頁

 

摘要

這篇論文提出了一種估計生物膜中氧氣有效擴散系數（Deff）的新方法，該方法不依賴于其他生物動力學參數（如底物消耗速率和反應速率常數）。研究基于非穩態失活生物膜中動態溶解氧（DO）微分布的測量，使用純擴散模型進行分析。通過氧轉移模型裝置（OTMD）結合氧氣微電極系統測量DO微分布，并選擇臨界DO濃度（1%的飽和濃度）來定義響應時間。計算出的Deff為(1.054±0.041)×10^{-9} m2/s，與文獻報道結果量級相同，表明該方法有效可行，簡化了Deff估計過程。

 

研究目的

本研究旨在開發一種不依賴于其他生物動力學參數的方法來估計生物膜中的氧氣有效擴散系數（Deff），以克服傳統方法需要復雜參數測量的局限性，提高估計的便捷性和準確性，從而促進生物膜中氧氣傳輸-反應過程的研究。

 

研究思路

研究思路包括：首先，使用旋轉生物籠反應器培養生物膜，并通過添加NaN3失活生物膜以消除生物反應影響；其次，利用OTMD結合Unisense氧氣微電極系統測量生物膜在周期性暴露于空氣和厭氧溶液過程中的動態DO微分布；然后，基于Fick定律建立純擴散模型，并利用模型的分析解，通過臨界DO濃度下的響應時間和擴散距離計算Deff；最后，通過數據擬合驗證模型并計算Deff值。

 

測量的數據及研究意義

1 生物膜外部動態DO濃度數據，來自圖3a和3b，測量位置為距離生物膜表面-150、-100、-50和0 μm。研究意義是確定擴散模型的邊界條件，顯示DO濃度在暴露過程中快速變化，支持模型假設表面濃度恒定。

 

2 生物膜內部動態DO微分布數據，來自圖4a、b和c，測量深度間隔30 μm，記錄DO濃度隨時間變化。研究意義是直接展示DO在生物膜中的擴散過程，為計算響應時間和擴散距離提供基礎，驗證純擴散模型的有效性。

 

3 擴散距離與響應時間關系數據，來自圖5，提取不同深度下DO濃度達到臨界值的時間。研究意義是通過線性擬合（圖6）計算Deff，證明方法不依賴生物動力學參數，簡化估計過程。

 

 

4 Deff計算數據，來自圖6的線性擬合結果，Deff值為(1.054±0.041)×10^{-9} m2/s。研究意義是驗證方法的準確性，與文獻值（表1）比較表明方法可靠，為生物膜傳質研究提供新工具。

 

 

結論

1 提出的基于響應時間的Deff估計方法有效，不依賴于其他生物動力學參數，簡化了估計過程。

2 測量得到的Deff值與文獻報道量級一致，證明方法可行。

3 該方法適用于非穩態生物膜，有助于研究氧氣在生物膜中的擴散-反應機制。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense公司生產的OX25快速響應氧氣微電極（尖端直徑25 μm，響應時間小于0.3秒）測量DO數據，其研究意義在于能夠以高時空分辨率（精度10 μm）對生物膜內部微環境進行原位、無損的精確監測。這種微電極系統結合OTMD，實現了動態DO微分布的連續測量，捕捉了DO從生物膜表面到內部的快速變化過程。通過測量響應時間（DO達到臨界濃度所需時間），為純擴散模型提供了關鍵輸入數據，使Deff計算不再依賴生物反應參數。這提升了估計的準確性和可靠性，為研究生物膜傳質過程提供了直接實驗證據，并拓展了微電極技術在環境工程中的應用范圍。