背景介紹:人類社會迅速向城市化，工業(yè)化和農(nóng)業(yè)活動邁進，已將各種含氮污染物（如硝酸鹽和氨）引入環(huán)境。氮污染會帶來嚴重的環(huán)境問題，例如水的富營養(yǎng)化，水質惡化以及對人類或動物健康的潛在危害。已經(jīng)開發(fā)了不同的反硝化技術，特別是生物反硝化技術，以從水環(huán)境中去除硝酸鹽污染物。近年來，微生物燃料電池已被廣泛用于廢水處理研究。以及微生物燃料電池和反硝化過程的組合也可以歸為BER的一種類型。通常認為溶解氧（DO）和pH是影響B(tài)ER反硝化性能的最重要因素。還評估了可能改變細菌活性并依次影響反硝化過程的電流密度。盡管電勢是另一個影響B(tài)ER性能的操作參數(shù)，但對電勢對生物膜的影響關注甚少。此外大多數(shù)研究報告了整個反應器的性能，很少研究研究了電勢對生物膜微環(huán)境的影響。本論文研究的目的是量化在不同電勢和pH值下電極表面反硝化生物膜的微環(huán)境變化。unisense微電極系統(tǒng)被認為是分析生物聚集體/生物膜微環(huán)境的有力工具，研究人員開發(fā)了用于反硝化過程的異養(yǎng)生物膜，并實現(xiàn)了穩(wěn)定的總氮去除效率（>80％）。

Unisense微電極系統(tǒng)的應用

將三片帶有生物膜（4cm2）的碳氈從反應器中的碳氈上小心地切下。使用尖端直徑為50微米的pH和N2O微電極（UNISENSE）來穿透生物膜，并測量微環(huán)境的pH值和N2O。使用微剖面分析系統(tǒng)（Unisense）來控制滲透和獲取數(shù)據(jù)。在每次測量之前，微電極極化至少要持續(xù)100分鐘，以使測試生物膜時達到穩(wěn)定的電流。微電極測量的步徑為50μm，由電動馬達控制。對于每個測量點，微電極等待10 s，然后測量10 s，然后移至下一個點。隨機選擇每個生物膜上的三個位點并進行測量以檢查可重復性。測量期間的溫度控制在25±0.5°C。

圖1、微電極測量生物膜的示意圖。RE1，WE和CE分別是三電極系統(tǒng)的Ag/AgCl參比電極，工作電極和對電極。ME是用于測量的微電極，Motor用于控制滲透深度，RE2是僅用于pH微電極測量的Ag/AgCl參比電極。

圖2、pH 7.3和9.5下反硝化生物膜的循環(huán)伏安法。空白是1 cm 2的無細菌碳氈，用作工作電極。掃描速率為10 mV s-1。

圖3、在過去2周內反硝化生物膜的培養(yǎng)過程中，反應器中總氮的穩(wěn)定去除。

圖4。本體溶液的pH分別為7.3（a）和9.5（b）時，生物膜中微環(huán)境pH的分布。圖像中的“無”表示沒有施加電勢。顯示了在不同生物膜深度的pH值變化。當本體溶液的pH為7.3時，在1700μm深度處，pH值從生物膜表面的7.1降低至6.8。當本體溶液的pH為9.5時，生物膜的微環(huán)境pH從9.3降低至7.2，變化范圍是pH 7.3的六倍。此外，生物膜在不同電位下對微環(huán)境pH值顯示不同的影響。在相同深度的生物膜上，-0.2 V時生物膜的pH值高于對照組。然而，當本體溶液的pH值為9.5時，-0.4 V的電勢對生物膜pH的影響很小。

圖5、N2O在生物膜中的空間分布具有不同的恒定電位，分別在pH 7.3（a）和9.5（b）下培養(yǎng)。插圖（a）在y軸上顯示了一個較小范圍內的數(shù)據(jù)，以使N2O濃度的變化更加明顯。圖像中的“無”表示沒有施加電勢。顯示了在不同深度的生物膜中N2O濃度的分布。當本體溶液的pH為7.3時，生物膜中的N2O濃度隨著深度從600變化至1100μm而從2增加至90μM，然后在深度為1600μm時減少至75μM。這表明，隨著深度從600μm增加到1100μm，NO還原酶的活性增加，而N2O還原酶的活性下降。將本體溶液的pH調節(jié)至9.5時，隨著深度從0增加到500μm，生物膜中的N2O濃度從10μM增加到21μM。之后它降低到2μM。

結論與展望：本論研究人員應用pH和一氧化二氮（N2O）微電極（unisense）對反硝化生物膜的微環(huán)境進行原位分析。在對所獲得的測量數(shù)據(jù)分析可以看出微環(huán)境pH隨生物膜深度的變化而降低。當本體溶液的pH值為7.3時，在生物膜中檢測到N2O最高濃度為90μM，且施加-0.2 V的電位不會降低pH 7.3時生物膜中N2O的產(chǎn)率。然而當pH 9.5或施加-0.4 V電勢似乎并未抑制生物膜中N2O的產(chǎn)率。研究人員為了量化在不同電勢和pH值下電極表面反硝化生物膜的微環(huán)境變化，使用了unisense微電極研究系統(tǒng)分別測量了電極表面生物膜中的pH和N2O濃度。unisense微電極剖面分析系統(tǒng)被認為是分析生物聚集體/生物膜微環(huán)境的有力工具，在本論文研究過程中研究人員將pH和一氧化二氮（N2O）的微電極應用于生物聚集體/生物膜的微環(huán)境分析。通過使用unisense微電極證明了電勢對反硝化生物膜微環(huán)境中pH和N2O濃度的影響，并且也證明了電子是可以在電極和生物膜之間轉移，硝酸鹽可以通過使用電極作為電子供體的異養(yǎng)生物膜去除。而電勢和pH是實現(xiàn)BER中高氮去除效率的兩個重要因素。