光透法定量粗糙裂隙生物堵塞下的隙寬

章艷紅，葉淑君，吳吉春，羅 躍

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院/表生地球化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210093；2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

光透法定量粗糙裂隙生物堵塞下的隙寬

章艷紅1,2，葉淑君1，吳吉春1，羅 躍2

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院/表生地球化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210093；2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

基于光透法定量測(cè)量裂隙隙寬的原理及在兩相流中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一組二維粗糙裂隙模擬裝置研究微生物在裂隙地下水系統(tǒng)中的運(yùn)移行為，首次定量研究了生物堵塞過(guò)程中隙寬及分布的變化。研究結(jié)果表明：微生物大多以離散菌簇狀形態(tài)存在，未能形成明顯的連續(xù)生物膜，不同空間位置微生物分布具有一定的隨機(jī)性，本試驗(yàn)中微生物接種和營(yíng)養(yǎng)注入方式?jīng)Q定了微生物集中分布在裂隙底部區(qū)域；微生物生長(zhǎng)造成裂隙平均隙寬的下降(從1 181 μm降低為1 086 μm，下降8.04%)，此外，基于光透法測(cè)量的不同空間位置隙寬(除2個(gè)點(diǎn)外)在微生物生長(zhǎng)過(guò)程中都有所下降，兩次微生物接種后點(diǎn)2處隙寬下降最明顯(從1 275 μm減少到1 081 μm)，下降了194 μm，約為15.22%。光透法作為一種高效無(wú)損的室內(nèi)監(jiān)測(cè)手段，將其應(yīng)用于裂隙介質(zhì)的生物堵塞尤其是定量計(jì)算生物膜厚度的研究中，對(duì)裂隙中生物堵塞研究具有重要的參考意義。

裂隙; 生物堵塞; 隙寬; 光透法

隨著生物技術(shù)在地下水污染修復(fù)中的廣泛應(yīng)用[1～5]，微生物參與到地下水流動(dòng)系統(tǒng)中，它的存在改變了含水介質(zhì)的性質(zhì)，從而使得地下水流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生了變化[6～7]。含水層中的生物堵塞作用研究始于20世紀(jì)90年代并得到了大量的關(guān)注，相關(guān)研究人員著力于研究裂隙介質(zhì)中的生物堵塞(bioclogging)現(xiàn)象。Ross等[8]研究了接種地下水中原生微生物引起石灰?guī)r裂隙中的生物堵塞作用，研究結(jié)果表明微生物(Cytophaga spp., Arcobacter spp. 和 Rhizobium spp.)有顯著的吸附作用，易形成生物膜。接種8天后滲透系數(shù)開始降低，22天后滲透系數(shù)降低為初始滲透系數(shù)的0.8%。Hill和Sleep[9]研究了平行噴砂玻璃板裂隙中生物膜的生長(zhǎng)對(duì)水流和溶質(zhì)運(yùn)移的影響。微生物初期形成離散的群簇附著在玻璃的表面，隨著時(shí)間推移形成連續(xù)的生物膜。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裂隙的滲透系數(shù)隨時(shí)間呈S型減少。沒(méi)有生物膜時(shí)Taylor彌散和大彌散同時(shí)影響裂隙中的溶質(zhì)運(yùn)移，但是隨著生物膜的生長(zhǎng)大彌散占主導(dǎo)地位，而且大彌散系數(shù)隨著滲透系數(shù)降低呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)[9]。Arnon等[10～11]利用六組室內(nèi)圓柱真實(shí)巖石實(shí)驗(yàn)研究了微生物在二維自然裂隙內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律及對(duì)裂隙介質(zhì)隙寬和滲透率的影響，結(jié)果表明等效水力隙寬由初始值495 μm和207 μm分別減少了262 μm和157 μm，裂隙滲透率相比于初始滲透系數(shù)下降了97%；研究結(jié)果亦表明生物堵塞改變了裂隙空間結(jié)構(gòu)，減少了流體流動(dòng)的實(shí)際空間，使得恒定流速下非反應(yīng)示蹤劑的運(yùn)移速度和裂隙彌散系數(shù)加倍。

以往生物堵塞研究大多采用測(cè)量水中生物量的方法研究微生物在裂隙介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行水力試驗(yàn)和示蹤試驗(yàn)(穿透曲線)研究裂隙水力特性的變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拆開裝置取樣測(cè)量分析的方法研究生物膜厚度及空間分布[12～13]。生物膜厚度研究方法主要存在兩個(gè)問(wèn)題：不能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)微生物在介質(zhì)中的生長(zhǎng)情況，也不能在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲取空間位置上的生物膜厚度(或隙寬)；拆開裝置取樣測(cè)量分析的操作方法加大了實(shí)驗(yàn)操作的難度增加了實(shí)驗(yàn)工作量而且由于人為因素的影響降低了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠度。然而實(shí)際研究工作中生物膜厚度對(duì)于生物堵塞的形成機(jī)制及介質(zhì)空間的微觀變化研究極為重要[6,12～15]，此外，隙寬這一參數(shù)也是影響粗糙裂隙滲流的幾個(gè)重要參數(shù)之一[16～17]。因此，亟需一種新的動(dòng)態(tài)、無(wú)損測(cè)定裂隙生物堵塞下的隙寬的方法。

光透法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)二維裝置中流體遷移規(guī)律的監(jiān)測(cè)，包含孔隙介質(zhì)中的多相流系統(tǒng)(水/氣，水/NAPL甚至是水/NAPL/氣)和裂隙中水/氣兩相中。CCD(Charge-Coupled Device)相機(jī)的應(yīng)用更是極大提高了監(jiān)測(cè)時(shí)間的即時(shí)性和監(jiān)測(cè)空間的高密度性，其中監(jiān)測(cè)時(shí)間最大分辯可達(dá)1s，空間分辨可達(dá)到1 mm2以下。Glass等[18]提出基于光透法測(cè)量裂隙隙寬的方法。Nicholl等[19]利用光透法研究二維粗糙表面裂隙內(nèi)的水驅(qū)替氣體運(yùn)動(dòng)時(shí)由重力引起的指端非穩(wěn)定性。Glass等將光透法應(yīng)用于裂隙中研究水/氣兩相運(yùn)移規(guī)律，測(cè)量裂隙隙寬分布并定量流體飽和度[20]。Detwiler等[21]評(píng)估了利用光透法測(cè)量裂隙隙寬的測(cè)量誤差，以及研究測(cè)量誤差對(duì)單裂隙內(nèi)水流和遷移模擬的影響。Nicholl和Glass[22]利用光透法監(jiān)測(cè)手段系統(tǒng)研究了裂隙內(nèi)水/氣兩相中的由重力作用引起的指進(jìn)現(xiàn)象及其遷移規(guī)律。Loggia等[23]利用光透法研究了垂向粗糙表面裂隙內(nèi)水油兩相驅(qū)替運(yùn)動(dòng)。但是至今仍未有光透法在裂隙生物堵塞方面的應(yīng)用報(bào)道。因此，本文將光透法應(yīng)用于二維粗糙表面裂隙的生物堵塞研究中，不但實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)微生物在地下水系統(tǒng)中的遷移行為，而且定量研究由生物堵塞引起的裂隙隙寬變化，尤其是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生物生長(zhǎng)過(guò)程中生物堵塞對(duì)裂隙隙寬的影響。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

在室內(nèi)建立了用于監(jiān)測(cè)微生物生長(zhǎng)運(yùn)移及生物堵塞的光透法系統(tǒng)，主要包括3個(gè)部分：二維裂隙裝置、燈箱和CCD相機(jī)。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單示意圖如圖1(a)，具體見(jiàn)文獻(xiàn)[24]。裂隙裝置及流動(dòng)系統(tǒng)示意如圖1(b)所示。裂隙裝置是由兩塊尺寸為22 cm(寬)×32.5 cm(高)×1 cm(厚)的噴砂鋼化玻璃(模擬粗糙裂隙)內(nèi)夾兩條尺寸為1 cm(寬)×32.5 cm(高)×1 mm(厚)的橡膠墊組成，利用兩個(gè)鋁質(zhì)邊框在外部進(jìn)行固定。地下水流系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：左、右兩邊隔水邊界，上、下兩邊定水頭邊界，水流方向?yàn)閺纳系较碌拇瓜蛄鲃?dòng)。頂、底部分別設(shè)計(jì)有三個(gè)連接孔，其中左側(cè)孔均與測(cè)壓管相連，用于實(shí)驗(yàn)中測(cè)量進(jìn)、出水口的水位；中間的連接孔通過(guò)外部三通接頭設(shè)計(jì)有一支口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在此支口進(jìn)行微生物及其營(yíng)養(yǎng)液的注入和樣品采集。最后，通過(guò)四通接頭連接成一個(gè)統(tǒng)一進(jìn)、出水口。左、右隔水邊界利用玻璃膠(GE Silicone Ⅱ)在外部進(jìn)行密封。上部定水頭邊界與定水頭水箱相連，下部給定水頭邊界則將出水口固定在一定高度(略高于裂隙頂端)。裝置通過(guò)進(jìn)、出水腔實(shí)現(xiàn)外部與裂隙裝置內(nèi)的水力聯(lián)系，其中腔體的設(shè)計(jì)示意如圖1(c)腔體的正視圖和圖1(d)A-A’剖面圖。腔體大小尺寸為26 cm(寬)×4 cm(高)×2 cm(厚)，靠近裂隙的一側(cè)中心有一個(gè)20 cm(寬)×3 mm(高)×3 mm(厚)的凹槽，是為了保證流體在凹槽內(nèi)混合均勻后以相同速度進(jìn)入裂隙內(nèi)；另一側(cè)分布有三個(gè)螺孔(圖1(c)中虛線圓圈表示)分別與進(jìn)/出水孔相連，兩孔孔距為6 cm，圖1(c)中兩個(gè)實(shí)線圓圈表示貫穿腔體厚度方向上的兩個(gè)螺孔，內(nèi)插兩根拉桿從外部固定腔體。

燈箱作為砂箱的唯一光源，由平行分布的LED燈組成，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散板后保證光源的均勻性，位于裂隙裝置一側(cè)12.5 cm處。CCD相機(jī)(AP2E, Apogee Instruments, Auburn, CA)放置于裝置另一側(cè)的一個(gè)與裂隙裝置一體的木質(zhì)暗箱內(nèi)，距裝置1.8 m并與一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接，用來(lái)接收透過(guò)裂隙的光線，并通過(guò)軟件Maxim DL(Ottawa, ON)自動(dòng)記錄光源強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用注射泵(LSP01-2A，保定蘭格恒流泵有限公司)或蠕動(dòng)泵(Longer Pump，BT100-1F)將微生物注入裂隙裝置內(nèi)。

圖1 (a)光透法系統(tǒng)；(b)裂隙裝置及水流系統(tǒng)；腔體設(shè)計(jì):(c)正視圖，(d)A-A’剖面圖Fig.1 Schematic diagrams of (a) the light transmission system, (b) the fracture device, the water flow system and the chambers design, (c) a front view, and (d) cross section along A-A’

1.2裂隙平均隙寬及其分布測(cè)量

安裝完成后的裂隙裝置利用蠕動(dòng)泵以10 mL/min的速度泵入一定量的去離子水，飽水后(約50 min)完全自然排水后(約10 min)稱量排出水的體積。多次重復(fù)以上操作，得到多次排水體積的均值即為裂隙的體積。這樣測(cè)量得到的是在裂隙介質(zhì)可自由流動(dòng)的自由水的體積，忽略了裂隙表面束縛的薄膜水。需要注意的是，研究在裂隙介質(zhì)中流體遷移規(guī)律考慮的是裂隙內(nèi)可自由移動(dòng)的流體及其組成的裂隙空間，因此這種裂隙體積的測(cè)量方法適用于本實(shí)驗(yàn)體系。裂隙的體積用于計(jì)算裂隙的平均隙寬(開度)bavg，即利用測(cè)量的裂隙體積除以其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度和寬度。

式中：M——注入裂隙的液體質(zhì)量；

P——液體的密度；

L、w——裂隙裝置的長(zhǎng)度和寬度。

根據(jù)比爾-朗伯定律[21]，對(duì)于特定波長(zhǎng)的光源，穿過(guò)溶質(zhì)濃度為c隙寬為b的裂隙介質(zhì)后光強(qiáng)I，可以表達(dá)為：

式中：I0——入射光光強(qiáng)；

μ——溶質(zhì)的吸收率(absorptivity)；

c——溶質(zhì)的濃度；

b——吸收光溶質(zhì)占據(jù)的裂隙寬度；

ξ——常數(shù)，用來(lái)代表裝置和溶劑的吸收性。

1.3微生物培養(yǎng)及接種方法

本實(shí)驗(yàn)中選用的大腸桿菌(E Coli.)購(gòu)于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(菌種編號(hào)：1.1100)。將一定濃度的大腸桿菌1 mL接種于100 mL的蛋白胨(LB)液體培養(yǎng)基(蛋白胨 10.0 g，酵母提取物 5.0 g，NaCl 10.0 g，蒸餾水 1.0 L，pH 7.0)中，放置在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)18～20 h后將大腸桿菌接種到裂隙介質(zhì)內(nèi)，因?yàn)榇竽c桿菌在培養(yǎng)18～20 h后進(jìn)入對(duì)數(shù)后期[27]。利用平板計(jì)數(shù)法測(cè)得，接菌濃度為1.7×1011CFU/mL (CFU，colony-Forming Units)，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基(MSM)：(1) MgSO4溶液：22.5 gMgSO4，無(wú)菌去離子水1 L；(2) FeCl3溶液：0.25 gFeCl3，無(wú)菌去離子水1 L；(3) CaCl2溶液：36.4 gCaCl2，無(wú)菌去離子水1 L；(4) 微量元素溶液：Mn2SO439.9 mg，ZnSO4·H2O 42.8 mg，(NH4)Mo7O24·4H2O 34.7 mg，無(wú)菌去離子水1 L；(5) 磷酸鹽緩沖液(pH 7.0)：K2HPO4·H2O 21.75g、Na2HPO4·12H2O 33.4 g、KH2PO48.7 g、NH4Cl 5.0 g，無(wú)菌去離子水1 L；(6) MSM：MgSO4溶液3.0 mL、FeCl3溶液 1.0 mL、CaCl2溶液1.0 mL、微量元素溶液1.0 mL、磷酸鹽緩沖液100 mL，無(wú)菌去離子水1 L，調(diào)節(jié)pH為7.0～7.2。

微生物暫時(shí)保存方法：利用冷凍離心機(jī)在12 000 rpm/min的轉(zhuǎn)速下4 ℃時(shí)離心20 min棄置上層清液后加入等體積磷酸緩沖液于冰箱內(nèi)4 ℃保存。

微生物接種過(guò)程及方法：利用滅菌后的MSM(約15～20個(gè)裂隙體積)充分替換裂隙介質(zhì)中的去離子水后放置2 h后接種微生物。接種微生物前進(jìn)行裂隙內(nèi)隙寬分布測(cè)量(AP01)。第一次接種是從圖1中的微生物注入口接種40 mL的菌液，靜置培養(yǎng)，培養(yǎng)期間定期向裂隙裝置內(nèi)注入40 mL的LB液體培養(yǎng)基以提供微生物生長(zhǎng)所需碳源，第11天利用MSM替換介質(zhì)內(nèi)的液體進(jìn)行微生物接種后第一次隙寬分布測(cè)量(AP02)。第二次接種同樣是從圖2中的微生物注入口接種40 mL的菌液，靜置培養(yǎng)，每2天通過(guò)微生物注入口注入40 mL的菌液(含有E Coli.的LB液體培養(yǎng)基)，14 d后利用MSM替換介質(zhì)內(nèi)的液體進(jìn)行微生物接種后第二次隙寬分布測(cè)量(AP03)。

2 結(jié)果與討論

2.1微生物生長(zhǎng)可視化

微生物生長(zhǎng)過(guò)程中定期向裂隙中注入LB液體培養(yǎng)基，第一次微生物接種后共注入3次，分別是第3 d，5 d和7 d，注入方式為：利用蠕動(dòng)泵從裂隙裝置底部以4 mL/min的速度注入40 mL。為保證LB液體培養(yǎng)基全部注入裂隙內(nèi)，每次注入完成后再繼續(xù)注入約10 mL的MSM。第一次接種后引起的光強(qiáng)變化及微生物生長(zhǎng)過(guò)程中的光強(qiáng)變化如圖2所示。其中，圖2(a)顯示了微生物接種剛完成時(shí)引起了暈圈狀的光強(qiáng)變化，由注入點(diǎn)位置控制從裂隙底部到頂部呈不斷減小的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象與一般流體運(yùn)移現(xiàn)象一致。此外，圖2(a)中還觀測(cè)到較明顯的指進(jìn)現(xiàn)象，說(shuō)明裂隙介質(zhì)具有較強(qiáng)的空間非均質(zhì)性。圖2(b)顯示了微生物生長(zhǎng)第5 d的光強(qiáng)變化情況，這是因?yàn)榈? d LB液體培養(yǎng)基的注入較明顯地改變了裂隙內(nèi)光強(qiáng)的分布特性，指進(jìn)現(xiàn)象更加明顯。同時(shí)，裂隙內(nèi)存在明顯的光強(qiáng)突變點(diǎn)(如底部紅點(diǎn))，這是微生物生長(zhǎng)形成的離散微生物菌落，一部分懸浮在水溶液中，一部分附著在裂隙表面，從而使得透過(guò)裂隙的光強(qiáng)值變小，與初始狀態(tài)(AP01)光強(qiáng)值相比光強(qiáng)值的變化量增大。圖2(c)顯示了微生物培養(yǎng)第11 d時(shí)光強(qiáng)變化量，微生物主要是以離散的菌落形式存在于裂隙內(nèi)，未能形成明顯的連續(xù)生物膜，光強(qiáng)變化較大的區(qū)域集中在裝置的底部，這與微生物接種和LB液體培養(yǎng)基均通過(guò)裝置底部孔注入有關(guān)。裝置上部缺少碳源和菌株不利于微生物生長(zhǎng)，較之于下部區(qū)域上部光強(qiáng)變化量較小。

圖3中給出了第一次接種后微生物生長(zhǎng)過(guò)程中不同空間位置光強(qiáng)變化量與時(shí)間的關(guān)系，具體空間位置見(jiàn)圖2。將整個(gè)裂隙空間等分為9個(gè)小區(qū)域，研究小區(qū)域中心點(diǎn)(1～9)處微生物生長(zhǎng)不同階段的光強(qiáng)變化?？紤]CCD相機(jī)的系統(tǒng)誤差，統(tǒng)計(jì)相對(duì)較小區(qū)域(以每個(gè)中心點(diǎn)為中心取10×10的像素區(qū)域)的算術(shù)平均值作為該點(diǎn)的代表值。(1)由圖3可以看出，不同空間位置的光強(qiáng)變化隨時(shí)間整體上升。第9點(diǎn)處表現(xiàn)出光強(qiáng)值下降，原因是該點(diǎn)正好處于微生物指狀生長(zhǎng)帶的指間區(qū)域(圖2b和2c)，表明裂隙中微生物生長(zhǎng)和分布不均勻。(2)整體而言，光強(qiáng)變化歷時(shí)曲線的局部低值出現(xiàn)在第3 d，5 d和7 d的位置，這與LB營(yíng)養(yǎng)基的注入時(shí)間一致，LB營(yíng)養(yǎng)基的注入引起裂隙內(nèi)流體遷移，水中微生物隨流體一起向上運(yùn)移，同時(shí)可能引起裂隙表面吸附微生物的解吸，最終造成裂隙內(nèi)微生物的再分布。營(yíng)養(yǎng)液注入后(第2 d，4 d，6 d，8 d)所有點(diǎn)的光強(qiáng)變化值在注入后較之于前一天都有所上升(除了第6點(diǎn)在第4 d有所下降外)，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液的注入促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)從而使光強(qiáng)變化量增加。(3)不同區(qū)域光強(qiáng)變化量不同：具體表現(xiàn)為底部位置(點(diǎn)7，8，9)光強(qiáng)變化量較明顯地大于裂隙的其它位置，這與圖2中現(xiàn)象一致，由微生物的接種和營(yíng)養(yǎng)注入方式控制。(4)不同空間位置的光強(qiáng)歷時(shí)曲線具有各自的特點(diǎn)：第3 d時(shí)在裂隙頂部或中部區(qū)域(1～6)沒(méi)有表現(xiàn)出光強(qiáng)變化值的下降反而增加；第5 d時(shí)點(diǎn)3和4亦出現(xiàn)了光強(qiáng)值上升的情況；第7 d點(diǎn)8和9同樣也出現(xiàn)了光強(qiáng)值上升的現(xiàn)象。這可能是由于：一方面裂隙內(nèi)微生物生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)隨著營(yíng)養(yǎng)液的注入發(fā)生運(yùn)移，另一方面以懸浮態(tài)形式存在的微生物在生物量梯度的影響下從生物量大的裂隙底部運(yùn)移至中、上部?？傊⑸镌诹严督橘|(zhì)中的生長(zhǎng)遷移是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其運(yùn)移行為具有隨機(jī)性，不同空間位置和不同生長(zhǎng)階段表現(xiàn)出不同的規(guī)律。雖然本實(shí)驗(yàn)未直接采樣測(cè)量分析生物量，但通過(guò)基于CCD相機(jī)的光透法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)無(wú)損可視化監(jiān)測(cè)微生物在裂隙介質(zhì)中的生長(zhǎng)運(yùn)移過(guò)程。

圖2 CCD監(jiān)測(cè)微生物生長(zhǎng)過(guò)程中的光強(qiáng)變化Fig.2 Changes in the light intensities during the process of microbes growth by CCD monitoring

圖3 第一次接種后微生物過(guò)程中不同空間位置光強(qiáng)變化歷時(shí)曲線Fig.3 Changes in the light intensities at different spatial locations vs time during the microorganisms growth after the first inoculation

2.2對(duì)隙寬及其分布的影響

首先測(cè)量裂隙的平均隙寬，根據(jù)裂隙平均隙寬的測(cè)量方法測(cè)量得到AP01，AP02和AP03的裂隙體積分別為76.74 mL，73.48 mL和70.58 mL；平均隙寬分別為1 181 μm，1 131 μm和1 086 μm；下降百分比分別為0%，4.23%和8.04%。隨著微生物的不斷生長(zhǎng)，裂隙體積不斷減少，平均隙寬也不斷減小。第二次菌株接種后造成裂隙體積和平均隙寬下降了8.02%。表明隨著菌株的接種和營(yíng)養(yǎng)的注入，大腸桿菌以離散菌落的形式附著在裂隙表面，造成了裂隙空間的減小，但未能形成連續(xù)的生物膜。原因主要有以下兩個(gè)方面：(1)大腸桿菌是中等大小桿菌，其大小為1～3 μm×0.5～0.7μm，然而本實(shí)驗(yàn)中裂隙隙寬則是mm級(jí)的，大腸桿菌的大小與裂隙隙寬相比相差約3個(gè)數(shù)量級(jí)，難以形成顯著的生物堵塞；(2)實(shí)驗(yàn)中的裂隙方向是垂向的，重力的存在亦會(huì)影響微生物在裂隙表面的附著，更有利于微生物在介質(zhì)內(nèi)的遷移。

基于CCD監(jiān)測(cè)測(cè)量隙寬原理，分別研究AP01，AP02和AP03的整體和局部隙寬分布及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，以AP01三組平行實(shí)驗(yàn)為例，具體結(jié)果如圖4，5所示。由圖4可知，AP01三組平行試驗(yàn)得到的隙寬分布大體相近，整體呈現(xiàn)出中間隙寬大，上、下及左、右邊界處隙寬小的規(guī)律，這與裝置采用鋁框四周固定的方式有關(guān)。然而，三組平行試驗(yàn)的隙寬結(jié)果表現(xiàn)出一定的差別，尤其是在邊界附近。根據(jù)裂隙隙寬的計(jì)算原理，假定裂隙平面內(nèi)溶質(zhì)濃度均為常數(shù)c，然而實(shí)際上溶質(zhì)濃度在空間上分布不均勻，尤其是邊界處，可能存在部分原水溶液圈閉在裂隙邊界處，使得溶質(zhì)濃度c發(fā)生改變?cè)斐傻摹D5中統(tǒng)計(jì)直方圖說(shuō)明了裂隙介質(zhì)內(nèi)整體隙寬分布規(guī)律一致，相對(duì)其它兩組試驗(yàn)結(jié)果，第三組試驗(yàn)計(jì)算存在部分高值。圖5為AP01局部隙寬分布情形及統(tǒng)計(jì)規(guī)律，進(jìn)一步說(shuō)明了三組平行試驗(yàn)測(cè)量得到的隙寬分布和統(tǒng)計(jì)規(guī)律具有高度一致性。為了定量研究光透法測(cè)量隙寬可靠性，對(duì)三組實(shí)驗(yàn)的平行試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果相關(guān)性分別進(jìn)行了研究，相關(guān)分析結(jié)果及參數(shù)見(jiàn)表1。表1中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均表明不同平行試驗(yàn)的隙寬測(cè)量結(jié)果在整體和局部區(qū)域均表現(xiàn)出高度地線性相關(guān)性，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在一條直線上，以實(shí)驗(yàn)AP01的第一、三組平行試驗(yàn)(AP01-T13)為例：整體而言R2=0.992，直線斜率P1=0.963；局部而言R2=0.998，直線斜率P1=0.998，4個(gè)參數(shù)值均與1很接近。其中，AP01-T12和AP01-T13整體而言相對(duì)于其它平行試驗(yàn)組表現(xiàn)出較弱的線性相關(guān)性(AP01-T12，R2=0.882)，這是由于邊界的影響，邊界處可能存在難以驅(qū)替的水滴。實(shí)驗(yàn)AP02和AP03同樣分別進(jìn)行了兩組平行試驗(yàn)，結(jié)果不再一一贅述，具體相關(guān)性分析參數(shù)見(jiàn)表1，AP02和AP03兩組平行試驗(yàn)測(cè)量的隙寬在整體和局部?jī)蓚€(gè)區(qū)域都表現(xiàn)出高度相關(guān)性。總之，不同平行試驗(yàn)測(cè)量的隙寬分布和統(tǒng)計(jì)規(guī)律表現(xiàn)出了高度地一致性，反映了光透法在粗糙表面裂隙隙寬測(cè)量中的可實(shí)施性以及基于光透法計(jì)算裂隙隙寬結(jié)果的可靠性。

圖4 AP01三組平行試驗(yàn)裂隙隙寬整體隙寬分布及其規(guī)律Fig.4 Distribution and histogram analysis of all fracture apertures for three parallel tests

圖5 AP01三組平行試驗(yàn)裂隙隙寬局部(5～15 cm×11～21 cm)隙寬分布及其規(guī)律Fig.5 Distribution and histogram analysis for the fracture apertures in the middle area (5～15 cm×11～21 cm) for three parallel tests

ParametersP1P2R2RMSEAP01?T12整體0782257508824745局部0988-5509914AP01?T13整體0757286608854528局部0984-440983181AP01?T23整體096343509921166局部0998-20998059AP02整體0951560995927局部101-1260983161AP03整體09644040998777局部0995120997125

備注：P1為直線斜率，P2為直線截距。

為了研究生物堵塞過(guò)程中不同空間位置點(diǎn)隙寬的變化規(guī)律，選擇了9個(gè)空間位置代表點(diǎn)進(jìn)行研究，具體位置見(jiàn)圖2。圖7中給出了裂隙不同空間位置上隙寬變化，結(jié)果表明：(1)兩次接種微生物以后(AP02，AP03)不同空間位置隙寬幾乎都有所下降，特別是第一次接種微生物后(AP02)不同空間位置隙寬全部下降，說(shuō)明微生物主要以菌落或生物膜的形式附著在裂隙表面，引起了不同空間位置隙寬的降低。比如點(diǎn)2處隙寬在第一次接種后從1 275 μm(AP01)下降至1 224 μm(AP02)，隨著第二次微生物接種裂隙隙寬下降至1 081 μm(AP03)；點(diǎn)6處裂隙的隙寬在第一、二次接種后分別從1 235 μm(AP01)下降到1 172 μm(AP02)、1 068 μm(AP03)。其中，與AP01相比，兩次微生物接種后點(diǎn)2處隙寬下降最明顯，數(shù)值為194 μm，下降為15.25%；與AP01相比，第一次微生物接種后點(diǎn)1處隙寬下降最明顯，數(shù)值為104 μm；與AP02相比，第二次微生物接種后點(diǎn)2處隙寬下降最明顯，數(shù)值為143 μm。(2)隙寬變化在不同生物生長(zhǎng)階段表現(xiàn)出不同的規(guī)律，如點(diǎn)1，4的隙寬歷時(shí)曲線表現(xiàn)出先降后升的規(guī)律，第二次接種后隙寬(AP03：1 238 μm和1 158 μm)大于第一次接種后的隙寬(AP02：1 198 μm和1 148 μm)，說(shuō)明微生物在裂隙內(nèi)不但存在使隙寬降低的微生物吸附行為還存在到使隙寬增大的微生物解吸行為。由于營(yíng)養(yǎng)等的注入引起裂隙內(nèi)流體的流動(dòng)使原來(lái)附著在介質(zhì)表面的微生物重新解吸到水中運(yùn)移到別處，從而使得該點(diǎn)處隙寬較之前增大。(3)隙寬變化在不同空間位置表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)：所有點(diǎn)(除點(diǎn)1，4外)在兩次接種過(guò)程中表現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)，然而點(diǎn)1，4則表現(xiàn)出先降后升的規(guī)律。如圖2所示，點(diǎn)1，4位于裂隙左側(cè)中、上部位，說(shuō)明裂隙左側(cè)可能存在水流相對(duì)優(yōu)勢(shì)通道，該區(qū)域流體的流動(dòng)性更強(qiáng)，這個(gè)位置微生物更易在水流運(yùn)動(dòng)影響下排出到裂隙外部。(4)在不同空間位置隙寬變化程度不同：與AP01相比較，點(diǎn)2，3，6處AP03下降率分別為，15.25%,14.35%和11.97%，然而，點(diǎn)1，4，7處對(duì)應(yīng)的下降率分別為：4.87%，4.08%和4.21%，數(shù)值上明顯偏小，結(jié)合圖2可知，點(diǎn)1，4，7都位于裂隙左側(cè)，處于流體活動(dòng)活躍區(qū)，不利于微生物菌落或生物膜的形成。因此，在裂隙生物堵塞中應(yīng)用光透法，可以實(shí)現(xiàn)微生物生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)時(shí)可視化，定量生物堵塞下的裂隙隙寬變化，有利于生物膜厚度的二維平面空間分布研究，進(jìn)而探討裂隙內(nèi)二維生物堵塞問(wèn)題。

圖6 裂隙介質(zhì)不同空間位置上隙寬大小歷時(shí)曲線Fig.6 Changes in fracture aperture at different spatial locations

3 結(jié)論

光透法作為一種高效無(wú)損實(shí)時(shí)室內(nèi)監(jiān)測(cè)方法，既能可視化微生物在裂隙內(nèi)的生長(zhǎng)運(yùn)移過(guò)程，又能定量計(jì)算裂隙隙寬及其分布，主要有以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)裂隙中微生物大多以離散的菌簇狀形式存在，未能形成明顯連續(xù)的生物膜，微生物生長(zhǎng)和分布并不是均勻的，本次實(shí)驗(yàn)集中分布于裂隙底部區(qū)域，由微生物的接種和營(yíng)養(yǎng)注入方式控制。

(2)微生物在二維裂隙中的運(yùn)移行為具有隨機(jī)性，不同空間位置和不同生長(zhǎng)階段表現(xiàn)出不同的規(guī)律，主要受微生物接種和營(yíng)養(yǎng)方式控制，同時(shí)亦受裂隙本身性質(zhì)的影響。

(3)本試驗(yàn)中雖未能形成明顯的生物堵塞現(xiàn)象，仍然造成了裂隙體積的減小，裂隙平均隙寬及不同空間位置隙寬均受生物堵塞作用影響而降低，不同空間位置不同生長(zhǎng)階段表現(xiàn)出不同的規(guī)律。本次實(shí)驗(yàn)微生物的生長(zhǎng)引起了裂隙平均隙寬減小8.04%(從1 181 μm降低為1 086 μm)；其中生物堵塞最強(qiáng)處隙寬減小達(dá)15.22% (從1 275 μm減少到1 081 μm)。

(4)光透法作為一種高效無(wú)損實(shí)時(shí)室內(nèi)監(jiān)測(cè)手段，可以將其應(yīng)用于裂隙介質(zhì)的生物堵塞研究，尤其是應(yīng)用于定量計(jì)算生物堵塞影響下的裂隙隙寬變化。

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責(zé)任編輯

：張若琳

Modelsforquantificationofapertureinaroughwalledfracturebiocloggingsystemwiththelighttransmissionmethod

ZHANG Yanhong1,2, YE Shujun1, WU Jichun1, LUO Yue2

(1.KeyLaboratoryofSurficialGeochemistry,MinistryofEducation,SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210093,China; 2.SchoolofWaterResourcesamp;EnvironmentalEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013,China)

Based on the light transmission method in quantification of aperture in a rough wall fracture bioclogging system and its application in a two-phase flow system, one group of 2-D rough wall fracture modeling device was developed to study the migration of microbes in a fracture groundwater system, and quantification of the variation in aperture and its distribution by bioclogging. The experiment results indicate that the most of the microbes exist in the form of clusters and do not form the obviously continuous biofilm. The microbes randomly occur in different spatial locations, however, they mainly appear in the bottom area of the fracture, which is controlled by the ways of microbes inoculation and nutrient injection. The average aperture of the fracture is reduced by bioclogging (from 1 181 μm to 1 086 μm with the percentage of 8.04). Meanwhile, the apertures located at different points (except two individual points), where apertures are calculated with the light transmission method, decrease during the process of microorganisms growth. Point 2 has the greatest reduction of 194 μm in aperture (from 1 275 μm to 1 081 μm) with the percentage of 15.22. The light transmission method is an effective and non-destructive monitoring method used in labs. It can be applied to the bioclogging, especially in the study of quantification of biofilm in fracture, which is of significant reference value in the related research work for bioclogging in fracture.

fracture; bioclogging; aperture; light transmission method

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.18

P641.2; X523

A

1000-3665(2017)06-0118-08

2017-01-11;

2017-05-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472212，41602258)

章艷紅(1985-)，女，博士，主要研究方向?yàn)榈叵滤廴炯靶迯?fù)技術(shù)。E-mail:yhzhang618@gmail.com

葉淑君(1974-),女，教授，主要從事水環(huán)境水化學(xué)、地面沉降研究。 E-mail: sjye@nju.edu.cn