粒徑和流速對大腸桿菌在飽和多孔介質(zhì)中遷移的影響

姚舜譯，袁雪梅，楊新瑤，鄧仕槐（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都611300；2.沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，沈陽110044）

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粒徑和流速對大腸桿菌在飽和多孔介質(zhì)中遷移的影響

姚舜譯1，2，袁雪梅1，2，楊新瑤2*，鄧仕槐1*
（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都611300；2.沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，沈陽110044）

摘要：采用室內(nèi)柱遷移實(shí)驗，研究了在不同離子強(qiáng)度下多孔介質(zhì)粒徑和孔隙水流速對大腸桿菌在飽和石英砂柱中沉積與釋放行為的影響。結(jié)果表明，介質(zhì)粒徑和孔隙水流速均能影響大腸桿菌在石英砂中的遷移過程。介質(zhì)粒徑的減小可增強(qiáng)大腸桿菌在多孔介質(zhì)中的篩濾效應(yīng)，增加其沉積率和滯留率，減小水化學(xué)擾動引起的釋放效應(yīng)；流速的降低有利于提高大腸桿菌的沉積率和滯留率。離子強(qiáng)度的高低可改變粒徑和流速對大腸桿菌遷移影響的大小，在較高離子強(qiáng)度條件下，減小介質(zhì)粒徑和孔隙水流速對提高大腸桿菌的沉積率和滯留率的作用增強(qiáng)。由于自然環(huán)境的復(fù)雜性，今后的研究應(yīng)注重真實(shí)地下水環(huán)境中多因素對大腸桿菌遷移行為的復(fù)合影響，以便更加準(zhǔn)確地掌握大腸桿菌在多孔介質(zhì)中遷移的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：大腸桿菌；流速；粒徑；飽和多孔介質(zhì)；遷移

膠體的遷移。E-mail：yao1992_cool@qq.com

鄧仕槐E-mail：shdeng8888@163.com

姚舜譯，袁雪梅，楊新瑤,等.粒徑和流速對大腸桿菌在飽和多孔介質(zhì)中遷移的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016, 35（2）：353-357.

地下水是我國主要的飲用水源，全國約有三分之二的城市以地下水為飲用水源[1]，而當(dāng)前地下水的微生物污染形勢嚴(yán)峻[2]。病原微生物大量存在于畜禽養(yǎng)殖糞便、生活廢水、垃圾填埋場、化糞池、醫(yī)院污水中，可隨水流進(jìn)入地下環(huán)境，對飲水安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。大腸桿菌是哺乳動物腸道中的棲居菌，常隨糞便散布在環(huán)境中，由于其檢測快速、方便，是重要的糞便污染指示菌[4]。特殊血清型菌株如O157:H7，具有強(qiáng)致病性，可引起流行疾病爆發(fā)[5]。因此，了解大腸桿菌在地下多孔介質(zhì)中遷移的機(jī)理對于保障飲水安全十分必要。

研究人員通常采用玻璃珠、石英砂等作為填充材料并借助柱實(shí)驗來簡化模擬大腸桿菌在多孔介質(zhì)中的遷移行為，并通過大量實(shí)驗發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在多孔介質(zhì)中的遷移過程受到了諸多因素的影響，如溶液化學(xué)條件（pH[6]、離子強(qiáng)度[7]、有機(jī)質(zhì)[8-9]、溶質(zhì)種類[10-12]）、物理因素（介質(zhì)形狀及尺寸[13]、孔隙水流速[14]、飽和度[15]）、生物因素（營養(yǎng)條件[16]、溫度[17]、胞外聚合物[18]、脂多糖[19]、饑餓狀況[20]）。根據(jù)經(jīng)典膠體過濾理論[21]，介質(zhì)粒徑和孔隙水流速對膠體遷移的影響主要是通過改變阻礙膠體沉降的陰影區(qū)大小來實(shí)現(xiàn)[22]。Bradford 等[23]發(fā)現(xiàn)篩濾效應(yīng)是膠體滯留在多孔介質(zhì)中的重要機(jī)制，介質(zhì)粒徑和孔隙水流速均能影響篩濾效應(yīng)，同時篩濾效應(yīng)也與離子強(qiáng)度的大小密切相關(guān)。以往的研究大多使用納米或微米乳膠球來代表膠體研究它們在多孔介質(zhì)中的滯留機(jī)制。大腸桿菌等生物型膠體在形狀大小、表面性質(zhì)等方面與乳膠球差異較大，不同離子強(qiáng)度下介質(zhì)粒徑和孔隙水流速對大腸桿菌的沉積釋放機(jī)制的影響是否相同，目前相關(guān)的研究還很不足。

本文選用45～60目粗粒石英砂和100～140目細(xì)粒石英砂作為飽和柱實(shí)驗的填充介質(zhì)，以離子強(qiáng)度為32 mmol·L-1和10 mmol·L-1的氯化鈉溶液來模擬地下水，研究大腸桿菌在2.33 cm·min-1和0.35 cm·min-1孔隙水流速下的沉積和釋放過程，旨在對防治地下水水源的病原體污染，提高地下水污染生物修復(fù)效率提供理論指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗材料

1.1.1大腸桿菌培養(yǎng)與菌液準(zhǔn)備

采用E.coli K12 C600（中國普通微生物菌種保藏管理中心）作為研究對象。大腸桿菌首先使用液體Luria Broth（LB）培養(yǎng)基進(jìn)行活化，然后按1%的比例進(jìn)行轉(zhuǎn)接，以200 r·min-1的速度37℃振蕩培養(yǎng)1.5 h至對數(shù)生長的中期[17]。

停止培養(yǎng)后將菌液在4℃下以5860×g的速度離心15 min（Allegra 64R，Beckman，CA，USA），倒掉上清液，把菌體沉淀重新懸浮在一定體積的背景溶液中，如此重復(fù)離心、重懸浮的過程三次，使菌體與培養(yǎng)基完全分離。大腸桿菌的計數(shù)采用涂布平板法與光密度法結(jié)合的方式[14]，建立吸光度與細(xì)菌濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線[24]，稀釋使大腸桿菌懸液的濃度為1.0×107（1±25%）cells· mL-1。

1.1.2多孔介質(zhì)

地下水巖層最主要的成分為二氧化硅，本研究選用石英砂（純度99.9%，密度2.2 g·cm-3，明盛石英砂廠，江蘇）模擬含水層介質(zhì)。使用分樣篩篩選出細(xì)粒（100～140目）和粗粒（45～60目）石英砂。將石英砂用濃度為12 mol·L-1的鹽酸浸泡24 h，再用高純水洗凈至pH=7，以去除石英砂表面的金屬氧化物[25]，然后105℃烘干，備用。使用激光粒度儀（Mastersizer 2000，Malvern，Worcestershire，UK）測量石英砂的粒度。

1.2柱實(shí)驗

實(shí)驗裝置如圖1所示，由進(jìn)樣裝置、填充柱、檢測裝置三部分構(gòu)成。采用玻璃填充柱（同興玻璃儀器廠，上海），長10 cm，內(nèi)徑11.3 mm，柱的入流端和出流端安裝有300目的篩網(wǎng)，以均勻分散水流和防止石英砂外漏。采用超聲濕法填充3 cm石英砂，使石英砂在柱內(nèi)分布均勻緊實(shí)且達(dá)到飽和狀態(tài)。用重力法測得粗、細(xì)石英砂填充柱的孔隙度分別為0.42和0.37。所有液體經(jīng)過蠕動泵（BF-100，雷弗，保定）以恒定的設(shè)計流速自下而上在柱內(nèi)通過，以消除重力對水流速的影響。

圖1　實(shí)驗裝置示意圖[26]Figure 1 Schematic illustration of experimental setup

實(shí)驗pH設(shè)為7.0，離子強(qiáng)度分別為32、10 mmol· L-1的氯化鈉溶液，反映不同地區(qū)地下水環(huán)境溶液的離子強(qiáng)度范圍，流速分別設(shè)定為2.33、0.35 cm·min-1，模擬地下水含水層的不同水流流速。首先向柱內(nèi)通入60個孔隙體積（Pore volume，PV）的背景鹽溶液，以便穩(wěn)定實(shí)驗條件；然后通入5PV相應(yīng)離子強(qiáng)度的大腸桿菌懸液，監(jiān)測大腸桿菌的沉積過程；最后按表1中的順序分別注入離子強(qiáng)度逐漸降低的液體，觀察大腸桿菌的釋放過程。

2　結(jié)果與分析

2.1石英砂粒徑分布

平均粒徑的大小是衡量多孔介質(zhì)屬性的重要指標(biāo)之一。在研究多孔介質(zhì)粒徑對細(xì)菌遷移的影響時，往往需要將粒徑分布考慮在內(nèi)[14，24，27]。本實(shí)驗分別對粗粒石英砂和細(xì)粒石英砂的粒徑分布進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖2所示。測得粗粒石英砂的平均粒徑為607 μm，非均勻系數(shù)為0.292；細(xì)粒石英砂的平均粒徑約310 μm，非均勻性系數(shù)為0.271。粗粒及細(xì)粒石英砂的非均勻系數(shù)非常小，說明其粒徑分布十分均勻，達(dá)到實(shí)驗要求。

表1　遷移實(shí)驗的條件Table 1 Column experimental conditions

圖2　石英砂粒徑分布曲線Figure 2 Size distributions of quartz sand particles

2.2介質(zhì)粒徑對大腸桿菌沉積與釋放的影響

自然環(huán)境中多孔介質(zhì)顆粒的大小和分布是非常重要的介質(zhì)特征。本實(shí)驗結(jié)果顯示（圖3），在所有的實(shí)驗條件下，隨著石英砂粒徑的減小，大腸桿菌穿透曲線的平臺期下降，沉積在石英砂柱中的大腸桿菌數(shù)量增加，釋放階段的出峰高度也隨之增大。由此推測介質(zhì)粒徑減小時，砂粒比表面積增大，能為菌體提供更多的吸附點(diǎn)位，提高介質(zhì)對大腸桿菌的去除效率，因而穿透曲線平臺期降低。

圖3　大腸桿菌在兩種粒徑石英砂中的穿透曲線Figure 3 Breakthrough curves of E. coli in two different particle sizes of quartz sands

在離子強(qiáng)度為10 mmol·L-1時（圖3 a、圖3 b），大腸桿菌在介質(zhì)表面的沉降量很低，故流速變化對其沉降并未造成明顯差異。而當(dāng)離子強(qiáng)度為32 mmol· L-1時（圖3 c、圖3 d），大腸桿菌在細(xì)粒石英砂中的平臺期明顯低于粗粒石英砂，釋放階段的出峰高度也是如此，且在低孔隙水流速的實(shí)驗組中穿透曲線的差異最為顯著（圖3 c）。這說明介質(zhì)粒徑對大腸桿菌沉積與釋放行為的影響不僅與離子強(qiáng)度有關(guān)，還受到孔隙水流速的影響。

2.3孔隙水流速對大腸桿菌沉積與釋放的影響

孔隙水流速是影響大腸桿菌遷移的重要物理因素之一，流速的變化會改變菌體與多孔介質(zhì)顆粒之間力的平衡，多孔介質(zhì)的粒徑和表面特性不同，其影響程度也有所區(qū)別。大腸桿菌遷移實(shí)驗結(jié)果顯示，孔隙水流速對大腸桿菌沉積與釋放影響趨勢明顯（圖3）。在離子強(qiáng)度為10 mmol·L-1時，無論是在粗粒石英砂還是在細(xì)粒石英砂中，高孔隙水流速實(shí)驗組的大腸桿菌出流量明顯大于低流速組，穿透曲線的平臺期隨著流速的增加而升高（圖3 a、圖3b），釋放階段的穿透曲線差異不明顯，說明低孔隙水流速下有利于大腸桿菌的沉積。當(dāng)離子強(qiáng)度為32 mmol·L-1時，由于孔隙水流速變化引起的大腸桿菌穿透曲線的差異，細(xì)粒石英砂實(shí)驗組的遠(yuǎn)大于粗粒石英砂（圖3 c、圖3 d）。盡管沉積階段穿透曲線的高度相差較大，但釋放階段穿透曲線的高度差并不大，說明在釋放階段大腸桿菌的行為還受到其他因素的影響。

3　討論

介質(zhì)粒徑和流速對大腸桿菌遷移影響的實(shí)驗結(jié)果符合文獻(xiàn)報道，但兩者在不同離子強(qiáng)度下所起的作用在釋放階段的影響需要進(jìn)一步分析，根據(jù)穿透曲線計算出的參數(shù)如表2所示。

表2　穿透曲線參數(shù)Table 2 Parameters for breakthrough curves

對比1、3和5、7號以及2、4和6、8號，細(xì)粒實(shí)驗組的沉積率、釋放率、滯留率均高于粗粒實(shí)驗組。這是因為多孔介質(zhì)粒徑變小時，一方面由于顆粒比表面積增大吸附點(diǎn)位數(shù)量增加，另一方面由于孔徑變小篩濾效應(yīng)（Straining）變得顯著，使得更多的細(xì)菌卡在介質(zhì)孔隙之間。這兩種機(jī)理都會增強(qiáng)大腸桿菌的滯留。本實(shí)驗中膠體與介質(zhì)粒徑比分別為0.002 4、0.001 2。 Bradford等[23]指出即使粒徑比低至0.002時，篩濾效應(yīng)也是膠體去除的一個重要作用。因此，粗粒石英砂組中滯留率要低得多。對比3、5號及4、6號，在孔隙水流速相同時，低離子強(qiáng)度、細(xì)粒石英砂組的沉積率與高離子強(qiáng)度、粗粒石英砂組的沉積率接近，而前者的釋放率低于后者。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于離子強(qiáng)度與介質(zhì)粒徑的相互作用。增加離子強(qiáng)度，使得雙電層被壓縮，減小能量勢壘的高度，有利于細(xì)菌吸附到多孔介質(zhì)顆粒表面[17]，促進(jìn)大腸桿菌在石英砂中的沉積。當(dāng)介質(zhì)粒徑增大時，篩濾效應(yīng)（Straining）減弱[23]，沉積率降低。在釋放階段，離子強(qiáng)度逐步降低，這種靜電吸附的優(yōu)勢不復(fù)存在，粗粒石英砂組的大腸桿菌便會大量釋放出來。而降低離子強(qiáng)度不會使阻塞在孔隙處的大腸桿菌釋放出來[23]，細(xì)粒石英砂組的篩濾效應(yīng)比粗粒石英砂組顯著得多，因此最終的滯留率要高于粗粒石英砂組。對比1、2和3、4號及5、6和7、8號，高孔隙水流速實(shí)驗組的沉積率、釋放率、滯留率均低于低孔隙水流速組。因為流速增加時，產(chǎn)生了更大的剪切力[27]，會使得阻礙膠體沉積的陰影區(qū)增大[22]，不利于大腸桿菌沉積。高孔隙水流速相對于低孔隙水流速更容易將沉積在多孔介質(zhì)中的大腸桿菌帶出來，造成更低的滯留率。對比2、5號及4、7號，在介質(zhì)粒徑相同時，低離子強(qiáng)度、低孔隙水流速組沉積率與高離子強(qiáng)度、高孔隙水流速組的相差不大，而前者的滯留率高于后者。這是孔隙水流速與離子強(qiáng)度相互作用的結(jié)果。在沉積階段，離子強(qiáng)度增加會促進(jìn)大腸桿菌與石英砂表面的吸附，同時孔隙水流速增加也會使得流體曳力增大，不利于細(xì)菌沉積。在釋放階段，孔隙水流速因素占據(jù)主導(dǎo)，低孔隙水流速組反而有更高的滯留率。

本實(shí)驗設(shè)置了10、32 mmol·L-1兩種離子強(qiáng)度，對比1、5和2、6和3、7和4、8號，發(fā)現(xiàn)隨著離子強(qiáng)度的增加，大腸桿菌在石英砂柱中的沉積率、滯留率顯著增加。增加離子強(qiáng)度不僅會減弱石英砂對大腸桿菌的靜電排斥作用，促進(jìn)沉積，同時臨近顆粒孔隙位置的大腸桿菌也會因為引力增大而滯留在其中[23]，從而增強(qiáng)了篩濾效應(yīng)。在釋放階段，滯留在孔隙之間的大腸桿菌并不會因為離子強(qiáng)度的降低而釋放出來，從而篩濾效應(yīng)明顯時對應(yīng)有更高的滯留率。因此，在離子強(qiáng)度相對較高的情況下，適當(dāng)調(diào)節(jié)介質(zhì)粒徑及孔隙水流速的大小就會對大腸桿菌的沉積與釋放產(chǎn)生很大影響，而在低離子強(qiáng)度下引起的變化則小得多。

4　結(jié)論

介質(zhì)粒徑和孔隙水流速能共同影響大腸桿菌在飽和石英砂介質(zhì)中的沉積和釋放過程。減小多孔介質(zhì)粒徑有助于增強(qiáng)篩濾效應(yīng)，促進(jìn)大腸桿菌在多孔介質(zhì)體系中的衰減。減小孔隙水流速，則會減小流體曳力，增加大腸桿菌的沉積量，減少釋放量，并且它們的影響效果在高離子強(qiáng)度的情況下得以增強(qiáng)。

研究大腸桿菌在飽和多孔介質(zhì)中遷移的規(guī)律，對于保障飲水安全、指導(dǎo)土壤和地下水修復(fù)有著重要意義。今后可以結(jié)合場地實(shí)驗展開研究，以期更加接近自然條件，提高預(yù)測大腸桿菌遷移的準(zhǔn)確性。

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Effects of particle size and pore water velocity on transport of Escherichia coli in saturated porous media

YAO Shun-yi1,2, YUAN Xue-mei1,2, YANG Xin-yao2*, DENG Shi-huai1*
（1.College of Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2.MoE Key Lab for Eco-restoration of Regional Contaminated Environment, Shenyang University, Shenyang 110044, China）

Abstract：The transport of pathogenic microbes in porous media is critical to groundwater quality. This study investigated the combined effects of particle size and pore water velocity on the deposition and release behavior of Escherichia coli（E. coli）in saturated quartz sands at different ionic strengths. Results showed that both particle size and pore water velocity affected the transport of E. coli in porous media. Decreasing particle size increased straining effect, deposition and thus retention rates of E. coli. Moreover, the enhanced straining effect resulted in lower releases of E. coli from the smaller particles. Reducing pore water velocity tended to increase deposition and retention rates of E. coli. At greater ionic strength, decreases in both particle size and pore water velocity further enhanced deposition and retention rates of E. coli. These results would improve our understanding of releases and transport of biocolloids under transient ionic strength.

Keywords：Escherichia coli; pore water velocity; particle size; saturated porous media; transport

*通信作者：楊新瑤E-mail：yangxinyao@hotmail.com

作者簡介：姚舜譯（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向：地下水中

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41101475）；沈陽市科技計劃項目（F14-133-9-00、F15-113-9-00）沈陽市科學(xué)事業(yè)費(fèi)競爭性選擇項目（城市生態(tài)環(huán)境風(fēng)險管理及其修復(fù)技術(shù)研究）

收稿日期：2015-09-07

中圖分類號：X523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）02-0353-05

doi:10.11654/jaes.2016.02.020