水槽實驗中用自動顯微系統和 O 2微感測器分析淡水流生物膜的 O 2

本研究的目的是確定來自 Harz 山脈 Selke 溪流的溪流生物膜的氧通量和微生物呼吸和光合作用的空間微異質性。

為此，我們使用 PreSens 光纖 O

2

微感測器和自動顯微操作器系統以 100 m 的解析度記錄生物膜內的 O

2

微梯度和覆蓋水。

結果與生物膜上方的平均流量和湍流條件有關，並顯示出與流場相關的強烈變化。

微生物生物膜是所有水生生態系統不可分割的組成部分，對它們的 O

2有很大貢獻

預算由於它們的大表面積。

山區溪流生物膜受多種因素控制，例如光、養分、放牧或其空間高度可變的流體動力學。

因此，流體動力學透過阻力 ［1， 2］ 成為塑造生物膜的主要因素，並透過傳質過程控制營養資源的供應 ［3］。

擴散邊界層 （DBL） 的範圍直接受湍流邊界層中湍流強度的影響，並控制生物膜的傳輸過程和吸收效率。

由於流動流體動力學產生的棲息地異質性與微尺度水平的代謝生物膜響應之間的聯絡，一個重要的挑戰仍然存在，因為技術難以實現。

在這項研究中，我們測量了微尺度 O

2

淡水生物膜中的通量和O

2

微分佈及其在由Selke（哈茨山脈，薩克森-安哈爾特）的溪水供給的溪邊水槽內的擴散邊界層。

本研究的目的是確定微生物呼吸和光合作用的氧通量和空間微異質性，並將這些結果與微流體動力學聯絡起來。

圖 1：德國哈茨山脈塞爾克溪流旁的水槽。

在恆定光照條件（10 小時/14 小時光照/黑暗）下，將流水泵入移動容器中，以產生透過 5 m 水槽的恆定流量。

材料與方法

實驗在安裝在位於 Selke 溪流（Harz Mountains， Saxony-Anhalt， Germany，圖。1）。

水槽配備了不同尺寸（直徑為 2、4 和 6 釐米）的惰性玻璃珠，以模擬自然棲息地的異質性和湍流強度，並接收溪流水，從而懸浮來自 Selke 的微生物群落和營養物質。

水深約為 0。2 m，平均流速約為 0。2 m/s。

生物膜在恆流條件下培養 4 周，每天接近自然光合有效輻射 10 小時。

氧

2

使用 PreSens Profiling Microsensors （PM-PSt7）、OXY-1 ST 微型光纖氧計和解析度為 1 m 的自動顯微操作器 （AM） 系統進行顯微分析（圖 2）。

覆蓋玻璃珠的生物膜在縱向和橫向主流方向上以 1 釐米的間隔進行輪廓分析。

沿 z 軸透過覆蓋水記錄微輪廓，並以 100 m 的步長進入生物膜（圖 3）。

生物膜上方的流動和湍流透過 3D 聲學多普勒速度 ADV 剖面儀（Vectrino II，Nortek AS，挪威）作為點測量和用於流動的 2D 空間分佈的定製粒子影象測速 PIV 系統來表徵場地。

圖 2：使用自動顯微操作器沿水槽定位微感測器。

在每個輪廓中都引用了生物膜表面，並且輪廓以 4 mm 深度和 100 m 步長測量。

氧氣分析結果

結果表明，沿著玻璃珠的流場，在前後方向上清晰地分為高氧區和低氧區。

氧

2

在玻璃珠的最前面記錄到高達 146 % （645 M） 的過飽和狀態，而背面則表現出低至總流飽和度的 11 % （47 M） 的飽和狀態。

玻璃珠的橫向橫截面表現出更均勻的分佈，在生物膜的第一毫米中氧氣釋放增加，高達 565 M。

擴散邊界層厚度測量為從流場的前部到後部在 200 - 1200 m 之間變化，沿橫斷面橫向在 400 / 600 m 之間變化。

結果與沿珠子上游側的光養生物的較高定殖一致，與珠子背風側的較少定植和較高碎屑聚集相比，剪下明顯增加，其特徵在於佔據後續珠子之間空間的再迴圈細胞。圖 3）。

2

飽和狀態作為生物膜，在生物膜頂部的過飽和位置也被觀察到。

圖 3：

在縱向和橫向流動樣帶中沿玻璃珠的 O

2濃度的二維等高線圖。

紅色箭頭表示從水柱到惰性玻璃珠（直徑為 6 釐米）頂部的生物膜的分析位置。

結論

結果表明，使用 PreSens Profiling Microsensors 和自動顯微操作器可以檢測到低至 200 m 的 O

2

微梯度和擴散邊界層。

測量技術的微創性質允許在微觀水平上進行精細測量，而不需要大量的樣品製備或固定。

因此，分析裝置是我們長期監測實驗中不可或缺的工具，需要對高度動態的生態系統進行連續分析、流體動力學和分子取樣。