不同pH條件下病毒理化性質(zhì)分析

李天宇，林山杉，孫 欣，張業(yè)文

(1.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.東北師范大學(xué)政法學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130117)

細(xì)菌和病毒等微生物廣泛存在于污水污泥、化糞池、廢水等污染源[1].在過(guò)去的幾十年間，地下水資源的病毒污染問(wèn)題已引起各國(guó)科學(xué)家的高度關(guān)注，并進(jìn)行了較多的研究工作.廣泛存在于污水污泥、化糞池、廢水等污染源的致病細(xì)菌和病毒等微生物體積小，在通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)不容易被過(guò)濾、凈化[2-4]，因此，對(duì)于地下水資源的病毒污染如果處理不當(dāng)，污染物會(huì)通過(guò)地表和土壤等途徑遷移，污染其他土壤、地表水和地下水系統(tǒng)[5-7].

隨著分子生物技術(shù)的快速發(fā)展以及社會(huì)關(guān)注的提高，對(duì)病毒在不同水化學(xué)條件下的研究已逐漸成為環(huán)境修復(fù)工程、土壤學(xué)和水資源保護(hù)等方面的重要研究?jī)?nèi)容[8].

目前，有關(guān)膠體的研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，膠體懸浮液特征隨自身水化學(xué)條件變化而變化的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究均較為成熟[9-10]. 然而，病毒顆粒是一種具有“生物活性”的膠體，其環(huán)境行為特征與其他非生物膠體既有相似特征、又有不同之處[11].

近年來(lái)，隨著生物大分子技術(shù)的快速發(fā)展以及水環(huán)境病毒污染越來(lái)越嚴(yán)重，大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究病毒在水環(huán)境中的存在形式與遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[12-13].通過(guò)研究病毒在自然水環(huán)境中的遷移規(guī)律[14]、吸附-解吸規(guī)律[15]、自然衰減規(guī)律[16]，預(yù)測(cè)病毒在自然水環(huán)境中的存在形式與遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程.本文通過(guò)改變?nèi)芤簆H條件，探究了病毒在多孔介質(zhì)溶液中的穩(wěn)定性變化.

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

將處理好的玻璃珠填入玻璃柱，按圖1完成連接，以0.772 mL/min的流量通入去離子水，玻璃柱由下向上飽水，連續(xù)通水8 h；再將配置好的pH及離子強(qiáng)度的病毒溶液通入實(shí)驗(yàn)裝置中，并在通入溶液8 h后取樣；通入去離子水，沖出實(shí)驗(yàn)裝置中殘余的病毒顆粒；對(duì)樣品進(jìn)行溶液病毒顆粒粒徑及Zeta電勢(shì)檢測(cè)；按設(shè)計(jì)重新配置病毒溶液，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同水化學(xué)條件下病毒粒徑變化

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組不同pH的實(shí)驗(yàn)條件，pH值分別為5.0，7.0，9.0，分別代表偏酸性、偏中性、偏堿性水化學(xué)條件.病毒溶液由原病毒溶液、去離子水、0.1 mol/L NaOH溶液、0.1 mol/L HNO3溶液混合配置，溶液離子強(qiáng)度小于0.002 mmol/kg.

通過(guò)馬爾文粒度儀測(cè)定不同pH條件下病毒粒徑的分布，結(jié)果見(jiàn)圖2.不同條件下病毒溶液中病毒顆粒平均粒徑、粒徑總體分布范圍、粒徑占比測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1.

圖2 不同pH條件下病毒粒徑分布圖

pHI/(mmol/kg)主區(qū)間粒徑/nm次區(qū)間粒徑/nm主區(qū)間粒徑占比/%次區(qū)間粒徑占比/%5.0<0.002958.9010007.0<0.002271.95 37895.34.79.0<0.002217.401000

由表1可見(jiàn)，不同水化學(xué)條件下病毒粒徑及其分布特征不同，隨著pH值增大病毒粒徑減小，酸性水化學(xué)條件(pH=5.0)對(duì)病毒粒徑影響最大，此時(shí)病毒粒徑遠(yuǎn)大于中性(pH=7.0)和堿性(pH=9.0)條件下的粒徑；中性與堿性水化學(xué)條件下病毒粒徑大小相近.

中性水化學(xué)條件下，病毒粒徑分布存在兩個(gè)區(qū)間，其中主區(qū)間粒徑約為271.9 nm，占病毒顆粒的95.3%；另一區(qū)間粒徑約為5 378.0 nm，約占4.7%，這部分病毒顆粒粒徑過(guò)大，遠(yuǎn)大于膠體粒徑范圍，會(huì)產(chǎn)生沉淀.

2.2 不同水化學(xué)條件下Zeta電勢(shì)

對(duì)不同水化學(xué)條件下所采集實(shí)驗(yàn)樣品用馬爾文粒度儀進(jìn)行Zeta電勢(shì)檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同水化學(xué)條件下病毒溶液中病毒顆粒Zeta電勢(shì) mV

對(duì)表格2數(shù)據(jù)進(jìn)行四分衛(wèi)數(shù)計(jì)算，再由計(jì)算數(shù)據(jù)做出不同水化學(xué)條件下病毒顆粒Zeta電勢(shì)箱形圖，結(jié)果見(jiàn)圖3.

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是開(kāi)展科學(xué)探究的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是圍繞所提出的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的思維過(guò)程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維，促進(jìn)其學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于變量的確定及控制。在生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生常因?yàn)椴荒苷_地分析變量，所以難以設(shè)計(jì)出比較完整的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)而影響其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的發(fā)展。因此加強(qiáng)變量分析教學(xué)，幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的各種變量及其控制方法，是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力發(fā)展的有效途徑。

圖3 不同水化學(xué)條件下病毒顆粒Zeta電勢(shì)箱形圖

由表2和圖3可見(jiàn)，病毒顆粒Zeta電勢(shì)隨水化學(xué)條件改變而改變，隨著pH值增大而增大.隨著病毒顆粒Zeta電勢(shì)的增大，病毒顆粒與顆粒之間靜電斥力(雙電層勢(shì)能)明顯增大，這將減少病毒顆粒發(fā)生碰撞并產(chǎn)生凝結(jié)或凝聚作用的概率.

2.3 不同水化學(xué)條件下病毒顆粒間DLVO穩(wěn)定性分析

不同水化學(xué)條件下病毒理化性質(zhì)不同，水化學(xué)條件的改變會(huì)導(dǎo)致病毒顆粒粒徑、Zeta電勢(shì)等理化性質(zhì)的改變，使得病毒溶液中病毒顆粒之間的引力勢(shì)能(范德華力)和斥力勢(shì)能(雙電層勢(shì)能)發(fā)生改變，進(jìn)而影響顆粒間總勢(shì)能.溶液中病毒顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，病毒溶液穩(wěn)定性隨之相應(yīng)變化，造成病毒顆粒聚集以及沉淀現(xiàn)象的發(fā)生.

計(jì)算分析病毒溶液中病毒顆粒間的引力勢(shì)能與斥力勢(shì)能，得出總勢(shì)能，進(jìn)而分析病毒溶液的穩(wěn)定性，所需參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 病毒DLVO計(jì)算Excel數(shù)據(jù)參數(shù)表

對(duì)不同水化學(xué)條件下所采集實(shí)驗(yàn)樣品用馬爾文粒度儀進(jìn)行Zeta電勢(shì)檢測(cè)并檢測(cè)樣品溶液中病毒膠體的粒徑及其分布，得到不同水化學(xué)條件下病毒膠體溶液中粒徑大小和分布特征.

將表1中的病毒顆粒粒徑與表2中的Zeta電勢(shì)數(shù)據(jù)帶入表3，通過(guò)有關(guān)公式計(jì)算得出不同pH條件下病毒顆粒總勢(shì)能圖(見(jiàn)圖4).

圖4 不同pH條件下病毒顆粒間總勢(shì)能圖

由圖4可見(jiàn)，在3種pH水化學(xué)條件下，當(dāng)兩病毒顆粒距離超過(guò)20 nm時(shí)，顆粒間引力勢(shì)能(范德華力)與斥力勢(shì)能靜電斥力基本為零，病毒顆粒間基本保持穩(wěn)定.由于pH=9時(shí)病毒顆粒的電勢(shì)較低(-7.84 mV)，當(dāng)距離逐漸縮小時(shí)，顆粒間斥力勢(shì)能以較快的趨勢(shì)不斷增大，增大速度遠(yuǎn)大于pH=5.0(電勢(shì)為-3.76 mV)和pH=7.0(電勢(shì)為-7.84 mV)時(shí)；由于范德華力一般與分子間距離成指數(shù)型反比關(guān)系，所以當(dāng)分子間距離減小時(shí)，引力勢(shì)能以越來(lái)越快的趨勢(shì)增長(zhǎng)，pH=9時(shí)引力勢(shì)能增長(zhǎng)速率要小于pH=5.0時(shí)，與pH=7.0時(shí)接近.

當(dāng)病毒顆粒間距較大時(shí)(>20 nm)病毒總勢(shì)能接近于0，顆粒間基本保持穩(wěn)定；隨顆粒間距的減小，病毒顆粒間總勢(shì)能先增大再減小到0；隨著病毒間距繼續(xù)減小，總勢(shì)能向引力勢(shì)能方向快速增大.pH=5時(shí)總勢(shì)能曲線上不存在勢(shì)壘，病毒顆粒很容易發(fā)生碰撞，進(jìn)而聚集或沉聚；pH=7時(shí)，總勢(shì)能曲線上存在一個(gè)較小的勢(shì)壘，約為5 kT；pH=9時(shí)，總勢(shì)能曲線上存在一個(gè)較大的勢(shì)壘，約為60 kT，若病毒顆?？倓?dòng)能能越過(guò)勢(shì)壘，病毒顆粒會(huì)產(chǎn)生聚集現(xiàn)象.

綜上所述，在pH=9.0的水化學(xué)條件下，病毒顆粒之間斥力勢(shì)能占優(yōu)勢(shì)，有較大的勢(shì)壘，病毒溶液中病毒顆粒間基本保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于pH=5.0與pH=7.0時(shí).病毒顆粒間穩(wěn)定性受pH值變化影響，隨pH值增大病毒溶液中病毒顆粒間穩(wěn)定性不斷增強(qiáng).pH=5.0時(shí)的病毒顆粒間不穩(wěn)定；pH=7.0時(shí)病毒顆粒較穩(wěn)定；pH=9.0時(shí)病毒顆粒間穩(wěn)定性更強(qiáng).

pH變化對(duì)病毒間斥力勢(shì)能(雙電層勢(shì)能)影響較大，隨pH值增大病毒顆粒間斥力勢(shì)能快速增大；pH變化對(duì)引力勢(shì)能影響較小.隨pH值增大，溶液中質(zhì)子濃度不斷減小，影響病毒粒表面電荷分布與雙電層性質(zhì)，進(jìn)而使病毒顆粒電勢(shì)增大，影響病毒顆粒間斥力勢(shì)能.

2.4 不同pH條件下病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間DLVO穩(wěn)定性分析

根據(jù)表3計(jì)算得出相應(yīng)水化學(xué)條件下病毒顆粒間引力勢(shì)能與斥力勢(shì)能，并做出DLVO總勢(shì)能圖(見(jiàn)圖5).

圖5 不同水化學(xué)條件下病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間總勢(shì)能圖

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間距較大時(shí)(>20 nm)，總勢(shì)能接近于零，病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間基本保持穩(wěn)定；隨著病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間距減小，病毒顆粒與玻璃介質(zhì)總勢(shì)能先非常緩慢地增大再減小到0，再向引力勢(shì)能方向快速增大，若病毒顆?？倓?dòng)能越過(guò)勢(shì)壘，病毒顆粒會(huì)吸附到玻璃介質(zhì)上.

在pH=5.0的水化學(xué)條件下，總勢(shì)能曲線上存在一個(gè)很小的勢(shì)壘，幾乎為0.病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間穩(wěn)定性較差，很容易發(fā)生吸附反應(yīng).在pH=7.0的水化學(xué)條件下，總勢(shì)能曲線上存在一個(gè)較小的勢(shì)壘，約為20 kT，病毒顆粒動(dòng)能大于勢(shì)壘數(shù)值，發(fā)生吸附反應(yīng).在pH=9.0的水化學(xué)條件下，總勢(shì)能曲線上存在一個(gè)較大的勢(shì)壘，約為76 kT.若病毒顆?？倓?dòng)能越過(guò)勢(shì)壘，病毒顆粒會(huì)吸附到玻璃介質(zhì)上.

當(dāng)pH=9時(shí)總勢(shì)能曲線上存在一個(gè)較大的勢(shì)壘，遠(yuǎn)大于pH=5.0和pH=7.0時(shí)，病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間穩(wěn)定性較pH=5.0和pH=7.0時(shí)強(qiáng)很多，發(fā)生吸附反應(yīng)的概率較小.

綜上所述，病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間穩(wěn)定性受pH值變化影響，病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間DLVO總勢(shì)能勢(shì)壘隨pH值增大而增大，病毒溶液中病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間穩(wěn)定性不斷增強(qiáng).

pH值的變化對(duì)病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間斥力勢(shì)能的影響較大，隨著pH值增大病毒顆粒間斥力勢(shì)能增大；pH值的變化對(duì)病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間引力勢(shì)能影響較小.隨著pH值的增大，溶液中質(zhì)子濃度不斷減小，影響病毒粒表面電荷分布與雙電層的性質(zhì)，進(jìn)而使病毒顆粒電勢(shì)增大，影響病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間斥力勢(shì)能.

2.5 不同水化學(xué)條件下病毒溶液穩(wěn)定性分析

不同水化學(xué)條件下，病毒顆粒的粒徑與電勢(shì)不同，水化學(xué)條件影響病毒顆粒表面電荷分布與雙電層性質(zhì)，使病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間引力勢(shì)能與斥力勢(shì)能發(fā)生變化.

不同水化學(xué)條件下病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間總勢(shì)能圖趨勢(shì)基本一致，水化學(xué)條件主要影響總勢(shì)能曲線上勢(shì)壘的大小，勢(shì)壘數(shù)值越大，病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間穩(wěn)定性越強(qiáng).不同水化學(xué)條件下病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間勢(shì)壘數(shù)據(jù)見(jiàn)表6.

表4 不同水化學(xué)條件下病毒顆粒DLVO勢(shì)壘

由表4可知：

相同pH水化學(xué)條件下，病毒顆粒間勢(shì)壘比病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間勢(shì)壘小，病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間的吸附作用所需能量大于病毒顆粒間的聚集，表明病毒溶液中病毒顆粒相比于吸附玻璃介質(zhì)更傾向于病毒顆粒間的聚集.

不同水化學(xué)條件下，隨pH值的增大，病毒顆粒間勢(shì)壘、病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間勢(shì)壘不斷增大，病毒溶液中病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間的吸附作用以及病毒顆粒間的聚集作用發(fā)生所需能量更高，發(fā)生概率更小，溶液穩(wěn)定性更高.

不同水化學(xué)條件下病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間總勢(shì)能圖趨勢(shì)基本一致，不同水化學(xué)條件主要影響總勢(shì)能曲線上勢(shì)壘的大小，勢(shì)壘越大，病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間穩(wěn)定性越強(qiáng).

3 結(jié) 論

本文研究了不同水化學(xué)條件下病毒理化性質(zhì)的變化情況，進(jìn)而通過(guò)DLVO理論計(jì)算了病毒溶液中病毒顆粒間以及病毒顆粒與玻璃介質(zhì)之間引力勢(shì)能(范德華力)與斥力勢(shì)能(雙電層勢(shì)能)的變化情況，得出了病毒溶液穩(wěn)定性與水化學(xué)條件的關(guān)系.結(jié)論如下：

(1) 不同水化學(xué)條件下，病毒粒徑及其分布特征不同，隨pH值增大病毒粒徑減小，一致性增強(qiáng)；酸性水化學(xué)條件(pH=5.0)對(duì)病毒粒徑影響最大，此時(shí)病毒粒徑遠(yuǎn)大于中性(pH=7.0)和堿性(pH=9.0)水化學(xué)條件下的病毒粒徑；中性與堿性水化學(xué)條件下病毒粒徑相似.

(2) 病毒顆粒Zeta電勢(shì)隨水化學(xué)條件改變而改變，隨著pH值增大而增大.隨著病毒顆粒Zeta電勢(shì)的增大，病毒顆粒與顆粒之間靜電斥力(雙電層勢(shì)能)明顯增大，這將減少病毒顆粒發(fā)生碰撞并產(chǎn)生凝結(jié)或凝聚作用的概率.

(3) 相同pH條件下，病毒顆粒間的勢(shì)壘比病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間的勢(shì)壘小，病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間的吸附作用所需能量大于病毒顆粒間的聚集能量，表明病毒溶液中病毒顆粒更傾向于顆粒間的聚集.

(4) 不同水化學(xué)條件下，隨著pH值的增大，病毒顆粒間勢(shì)壘、病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間勢(shì)壘不斷增大，病毒溶液中病毒顆粒與玻璃介質(zhì)間的吸附作用以及病毒顆粒間的聚集作用發(fā)生概率更小，溶液穩(wěn)定性更高.