粒徑和流速對大腸桿菌在飽和多孔介質中遷移的影響

姚舜譯，袁雪梅，楊新瑤，鄧仕槐（1.四川農業大學環境學院，成都611300；2.沈陽大學區域污染環境生態修復教育部重點實驗室，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*
（1.四川農業大學環境學院，成都611300；2.沈陽大學區域污染環境生態修復教育部重點實驗室，沈陽110044）

摘要：采用室內柱遷移實驗，研究了在不同離子強度下多孔介質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。結果表明，介質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。介質粒徑的減小可增強大腸桿菌在多孔介質中的篩濾效應，增加其沉積率和滯留率，減小水化學擾動引起的釋放效應；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，在較高離子強度條件下，減小介質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。由于自然環境的復雜性，今后的研究應注重真實地下水環境中多因素對大腸桿菌遷移行為的復合影響，以便更加準確地掌握大腸桿菌在多孔介質中遷移的規律。

關鍵詞：大腸桿菌；流速；粒徑；飽和多孔介質；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中遷移的影響[J].農業環境科學學報, 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]，而當前地下水的微生物污染形勢嚴峻[2]。病原微生物大量存在于畜禽養殖糞便、生活廢水、垃圾填埋場、化糞池、醫院污水中，可隨水流進入地下環境，對飲水安全構成嚴重威脅[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，具有強致病性，可引起流行疾病爆發[5]。因此，了解大腸桿菌在地下多孔介質中遷移的機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驗來簡化模擬大腸桿菌在多孔介質中的遷移行為，并通過大量實驗發現大腸桿菌在多孔介質中的遷移過程受到了諸多因素的影響，如溶液化學條件（pH[6]、離子強度[7]、有機質[8-9]、溶質種類[10-12]）、物理因素（介質形狀及尺寸[13]、孔隙水流速[14]、飽和度[15]）、生物因素（營養條件[16]、溫度[17]、胞外聚合物[18]、脂多糖[19]、饑餓狀況[20]）。根據經典膠體過濾理論[21]，介質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大小來實現[22]。Bradford 等[23]發現篩濾效應是膠體滯留在多孔介質中的重要機制，介質粒徑和孔隙水流速均能影響篩濾效應，同時篩濾效應也與離子強度的大小密切相關。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中的滯留機制。大腸桿菌等生物型膠體在形狀大小、表面性質等方面與乳膠球差異較大，不同離子強度下介質粒徑和孔隙水流速對大腸桿菌的沉積釋放機制的影響是否相同，目前相關的研究還很不足。

本文選用45～60目粗粒石英砂和100～140目細粒石英砂作為飽和柱實驗的填充介質，以離子強度為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效率提供理論指導。

1　材料與方法

1.1實驗材料

1.1.1大腸桿菌培養與菌液準備

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）培養基進行活化，然后按1%的比例進行轉接，以200 r·min-1的速度37℃振蕩培養1.5 h至對數生長的中期[17]。

停止培養后將菌液在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，如此重復離心、重懸浮的過程三次，使菌體與培養基完全分離。大腸桿菌的計數采用涂布平板法與光密度法結合的方式[14]，建立吸光度與細菌濃度標準曲線[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

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。使用分樣篩篩選出細粒（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柱實驗

實驗裝置如圖1所示，由進樣裝置、填充柱、檢測裝置三部分構成。采用玻璃填充柱（同興玻璃儀器廠，上海），長10 cm，內徑11.3 mm，柱的入流端和出流端安裝有300目的篩網，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，使石英砂在柱內分布均勻緊實且達到飽和狀態。用重力法測得粗、細石英砂填充柱的孔隙度分別為0.42和0.37。所有液體經過蠕動泵（BF-100，雷弗，保定）以恒定的設計流速自下而上在柱內通過，以消除重力對水流速的影響。

圖1　實驗裝置示意圖[26]Figure 1 Schematic illustration of experimental setup

實驗pH設為7.0，離子強度分別為32、10 mmol· L-1的氯化鈉溶液，反映不同地區地下水環境溶液的離子強度范圍，流速分別設定為2.33、0.35 cm·min-1，模擬地下水含水層的不同水流流速。首先向柱內通入60個孔隙體積（Pore volume，PV）的背景鹽溶液，以便穩定實驗條件；然后通入5PV相應離子強度的大腸桿菌懸液，監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度逐漸降低的液體，觀察大腸桿菌的釋放過程。

2　結果與分析

2.1石英砂粒徑分布

平均粒徑的大小是衡量多孔介質屬性的重要指標之一。在研究多孔介質粒徑對細菌遷移的影響時，往往需要將粒徑分布考慮在內[14，24，27]。本實驗分別對粗粒石英砂和細粒石英砂的粒徑分布進行了測量，結果如圖2所示。測得粗粒石英砂的平均粒徑為607 μm，非均勻系數為0.292；細粒石英砂的平均粒徑約310 μm，非均勻性系數為0.271。粗粒及細粒石英砂的非均勻系數非常小，說明其粒徑分布十分均勻，達到實驗要求。

表1　遷移實驗的條件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介質粒徑對大腸桿菌沉積與釋放的影響

自然環境中多孔介質顆粒的大小和分布是非常重要的介質特征。本實驗結果顯示（圖3），在所有的實驗條件下，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量增加，釋放階段的出峰高度也隨之增大。由此推測介質粒徑減小時，砂粒比表面積增大，能為菌體提供更多的吸附點位，提高介質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

在離子強度為10 mmol·L-1時（圖3 a、圖3 b），大腸桿菌在介質表面的沉降量很低，故流速變化對其沉降并未造成明顯差異。而當離子強度為32 mmol· L-1時（圖3 c、圖3 d），大腸桿菌在細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驗組中穿透曲線的差異最為顯著（圖3 c）。這說明介質粒徑對大腸桿菌沉積與釋放行為的影響不僅與離子強度有關，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顆粒之間力的平衡，多孔介質的粒徑和表面特性不同，其影響程度也有所區別。大腸桿菌遷移實驗結果顯示，孔隙水流速對大腸桿菌沉積與釋放影響趨勢明顯（圖3）。在離子強度為10 mmol·L-1時，無論是在粗粒石英砂還是在細粒石英砂中，高孔隙水流速實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。當離子強度為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，細粒石英砂實驗組的遠大于粗粒石英砂（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

介質粒徑和流速對大腸桿菌遷移影響的實驗結果符合文獻報道，但兩者在不同離子強度下所起的作用在釋放階段的影響需要進一步分析，根據穿透曲線計算出的參數如表2所示。

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

對比1、3和5、7號以及2、4和6、8號，細粒實驗組的沉積率、釋放率、滯留率均高于粗粒實驗組。這是因為多孔介質粒徑變小時，一方面由于顆粒比表面積增大吸附點位數量增加，另一方面由于孔徑變小篩濾效應（Straining）變得顯著，使得更多的細菌卡在介質孔隙之間。這兩種機理都會增強大腸桿菌的滯留。本實驗中膠體與介質粒徑比分別為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，低離子強度、細粒石英砂組的沉積率與高離子強度、粗粒石英砂組的沉積率接近，而前者的釋放率低于后者。出現這種現象的原因在于離子強度與介質粒徑的相互作用。增加離子強度，使得雙電層被壓縮，減小能量勢壘的高度，有利于細菌吸附到多孔介質顆粒表面[17]，促進大腸桿菌在石英砂中的沉積。當介質粒徑增大時，篩濾效應（Straining）減弱[23]，沉積率降低。在釋放階段，離子強度逐步降低，這種靜電吸附的優勢不復存在，粗粒石英砂組的大腸桿菌便會大量釋放出來。而降低離子強度不會使阻塞在孔隙處的大腸桿菌釋放出來[23]，細粒石英砂組的篩濾效應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，產生了更大的剪切力[27]，會使得阻礙膠體沉積的陰影區增大[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，在介質粒徑相同時，低離子強度、低孔隙水流速組沉積率與高離子強度、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度相互作用的結果。在沉積階段，離子強度增加會促進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，不利于細菌沉積。在釋放階段，孔隙水流速因素占據主導，低孔隙水流速組反而有更高的滯留率。

本實驗設置了10、32 mmol·L-1兩種離子強度，對比1、5和2、6和3、7和4、8號，發現隨著離子強度的增加，大腸桿菌在石英砂柱中的沉積率、滯留率顯著增加。增加離子強度不僅會減弱石英砂對大腸桿菌的靜電排斥作用，促進沉積，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]，從而增強了篩濾效應。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度的降低而釋放出來，從而篩濾效應明顯時對應有更高的滯留率。因此，在離子強度相對較高的情況下，適當調節介質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生很大影響，而在低離子強度下引起的變化則小得多。

4　結論

介質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中的沉積和釋放過程。減小多孔介質粒徑有助于增強篩濾效應，促進大腸桿菌在多孔介質體系中的衰減。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度的情況下得以增強。

研究大腸桿菌在飽和多孔介質中遷移的規律，對于保障飲水安全、指導土壤和地下水修復有著重要意義。今后可以結合場地實驗展開研究，以期更加接近自然條件，提高預測大腸桿菌遷移的準確性。

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YAO Shun-yi, YUAN Xue-mei, YANG Xin-yao, et al. Effects of particle size and pore water velocity on transport of Escherichiacoli in saturated porous media[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（2）：353-357.

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）沈陽市科學事業費競爭性選擇項目（城市生態環境風險管理及其修復技術研究）

收稿日期：2015-09-07

中圖分類號：X523

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）02-0353-05

doi:10.11654/jaes.2016.02.020