地下水酸堿環(huán)境對腸道病毒膠體遷移規(guī)律的影響

李 碩, 蘇 杰, 高 峰, 張文靜

(吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室, 長春 130012)

地下水是地球上分布最廣的淡水資源之一， 我國地下淡水資源主要用于生活飲用水供水水源. 由于農(nóng)業(yè)、 醫(yī)藥、 生活等過程形成的病原微生物----病毒污染地下水土, 對生態(tài)環(huán)境與人類健康產(chǎn)生嚴重威脅, 因此已引起人們廣泛關(guān)注[1-2]. 常見的腸道病毒在水土環(huán)境中感染微生物能力較強, 其納米級體積結(jié)構(gòu)小, 在地下水土環(huán)境中易存活, 以病毒膠體形式進行遷移[3-4].

目前, 關(guān)于地下水土環(huán)境中病毒的研究主要集中在檢測方法、 遷移行為及污染控制等方面, 遷移行為研究中選用的MS2病毒和φX174病毒不能代表所有病毒的遷移行為, 且目前的研究僅考慮了水巖理化因子的影響, 對易受地下水酸堿環(huán)境影響的定量化研究較少[5-6]. 本文選用污染水體中檢測到的vB_EcoM-ep3大腸桿菌病毒作為模式病毒, 通過室內(nèi)動態(tài)遷移模擬實驗, 利用DLVO理論與膠體過濾理論, 定量分析地下水不同酸堿環(huán)境條件下模式病毒膠體的遷移行為, 為地下水體中病原微生物的遷移機制與控制技術(shù)研究提供科學(xué)依據(jù).

1 實 驗

1.1 儀器、 材料和試劑

主要儀器： 紫外可見分光光度計(UV1800型, 上海尤尼柯儀器有限公司)； 激光粒度儀(Nano ZS型, 英國馬爾文公司)； 自動部分取樣器(BSZ-100型, 上海滬西分析儀器廠)； 恒溫培養(yǎng)箱(WPX-9052BC型, 北京永光明醫(yī)療儀器有限公司)等. 介質(zhì)材料： vB_EcoM-ep3大腸桿菌病毒來源于地表湖庫水體； 地下水巖性介質(zhì)材料為直徑為0.45 mm的玻璃珠. 主要化學(xué)試劑： KI,HCl,NaOH等無機試劑均為國產(chǎn)分析純.

1.2 遷移實驗

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

采用干法填充玻璃珠以模擬地下水巖性介質(zhì), 腸道病毒膠體溶液的濃度c=104pfu/mL, 其中pfu為噬菌斑形成單位. 分別用稀HCl和NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH=5.0,7.4,9.0, 模擬地下水1 m/d的Dacy流速, 使溶液在蠕動泵的作用下, 以0.17 mL/min流速進入有機玻璃柱, 連續(xù)等間隔采樣, 每15 min采樣一次, 待柱內(nèi)釋放水體中病毒未檢出時停止采樣. 對于每組實驗, 在第一階段注入3倍孔隙體積的病毒膠體溶液, 測試病毒膠體在介質(zhì)中的穿透情況； 釋放階段(第二階段)采用5倍孔隙體積的無菌水進行淋濾沖洗. 采用3 mg/L的KI溶液進行示蹤實驗, 獲取柱內(nèi)巖性介質(zhì)孔隙及水體無病毒條件下的遷移規(guī)律, 用于實驗對照. 實驗裝置如圖1所示.

1.3 數(shù)據(jù)分析

在腸道病毒膠體遷移實驗中, 流出液中病毒膠體的濃度均為隨時間變化的量. 腸道病毒膠體的質(zhì)量回收率(MR)計算公式用歸一化時刻法[7]； 沉積速率常數(shù)(k)用膠體過濾理論計算[8], 并用DLVO理論分析腸道病毒膠體的穩(wěn)定性與沉積釋放情況[9]. 病毒膠體濃度用雙層瓊脂平板法[10]檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水酸堿環(huán)境對腸道病毒膠體遷移規(guī)律的影響

采用激光粒度儀測試不同酸堿環(huán)境下腸道病毒膠體的粒徑和電勢變化, 并計算其在遷移過程各階段的質(zhì)量回收率, 結(jié)果列于表1.

表1 不同酸堿條件下病毒的遷移結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果， 以流出液的病毒膠體濃度c與初始濃度c0之比為縱坐標(biāo), 流出液的體積V與柱孔隙體積V0之比為橫坐標(biāo), 繪制腸道病毒膠體的穿透曲線, 結(jié)果如圖2所示. 由圖2可見， 在腸道病毒膠體遷移過程的注入階段(MR1), 當(dāng)?shù)叵滤釅A環(huán)境由酸性(pH=5.0)變?yōu)閴A性(pH=9.0)時, 流出液中病毒膠體的質(zhì)量回收率分別為4.1%,15.2%,28.4%. 根據(jù)膠體過濾理論, 當(dāng)?shù)叵滤伤嵝宰優(yōu)閴A性時, 病毒膠體的沉積速率系數(shù)減小, 分別為4.1×10-4,2.8×10-4,1.0×10-4. 因此, 當(dāng)改變地下水環(huán)境為堿性時, 腸道病毒膠體穿透率增大, 穩(wěn)定性提高, 更利于腸道病毒膠體在地下水中的遷移. 在堿性環(huán)境下, 流出液中的腸道病毒膠體在1.0倍孔隙體積時被檢出, 其峰值濃度比值為0.38. 在酸性環(huán)境下, 流出液中的腸道病毒膠體在1.5倍孔隙體積時被檢出, 峰值濃度比值降至0.02. 在腸道病毒膠體遷移過程的釋放階段(MR2), 當(dāng)?shù)叵滤伤嵝宰優(yōu)閴A性時, 流出液中病毒膠體的質(zhì)量回收率分別為8.4%,13.8%,33.4%. 實驗結(jié)果表明, 在不同的地下水酸堿環(huán)境下, 隨著無菌水的注入, 被吸附的腸道病毒膠體表現(xiàn)出不同程度的釋放現(xiàn)象, 峰值濃度比值分別為0.57(pH=9.0),0.37(pH=7.4),0.20(pH=5.0).

實驗結(jié)束后, 在酸性、 中性和堿性環(huán)境下, 腸道病毒膠體的滯留量分別為87.5%,13.9%,33.4%. 文獻[11-12]選用MS2病毒和φX174病毒, 其形狀為顆粒, 粒徑為24～27 nm, 吸附能力相對較弱, 穿透率約為100%； 病毒遷移能力的差異性主要與不同種類病毒的性狀及環(huán)境介質(zhì)表面性質(zhì)有關(guān).

2.2 地下水酸堿環(huán)境對腸道病毒膠體遷移過程中DLVO的勢能影響

DLVO理論中勢能變化可反映膠體的穩(wěn)定性, 膠體依靠動能越過勢壘會發(fā)生沉積, 膠體的沉積和聚集動力學(xué)取決于能壘高度[13]. 為解釋病毒膠體在遷移過程中的沉積和釋放行為, 計算腸道病毒膠體在不同地下水酸堿環(huán)境下的DLVO勢能, 結(jié)果如圖3所示, 其中橫坐標(biāo)表示腸道病毒膠體與固相介質(zhì)之間的距離, 縱坐標(biāo)表示膠體之間的相互作用能. 由圖3可見： 當(dāng)pH=7.4時, 病毒膠體的勢壘為3.4 kT, 病毒較易突破勢壘吸附于初級勢阱中； 當(dāng)pH=9.0時, 病毒膠體的勢壘最大, 為55.1 kT, 病毒極難突破勢壘； 當(dāng)pH=5.0時, 病毒膠體的Zeta電勢約為0, 勢壘消失.

圖2 不同酸堿環(huán)境中腸道病毒的遷移規(guī)律Fig.2 Migration regularity of enterovirus under different acid-base environments

圖3 不同酸堿環(huán)境下病毒的DLVO勢能Fig.3 DLVO potential energies of viruses under different acid-base environments

地下水酸堿環(huán)境在影響腸道病毒膠體電勢點位和粒徑變化的同時, 會導(dǎo)致其勢壘發(fā)生明顯變化, 從而影響膠體的穩(wěn)定性. 根據(jù)對腸道病毒膠體粒徑測試可知, 粒徑大小受酸堿環(huán)境的影響. 在堿性環(huán)境下, 腸道病毒膠體的粒徑(162.2 nm)明顯小于酸性(386.4 nm)和中性(321.8 nm)環(huán)境下的粒徑, 且粒徑分布單一, 不存在團聚的大顆粒. 由Zeta電勢測試結(jié)果可知, 腸道病毒膠體的電勢為-30～30 mV, 均處于不穩(wěn)定狀態(tài), 當(dāng)?shù)叵滤伤嵝?pH=5.0)變?yōu)閴A性(pH=9.0)時, 負電性增強, 病毒膠體與介質(zhì)間的靜電斥力增大, 導(dǎo)致地下水巖性介質(zhì)對腸道病毒膠體的吸附量降低. 因此在堿性環(huán)境下, 腸道病毒膠體不易沉積到介質(zhì)表面, 且該沉積過程多為可逆過程. 由DLVO勢能曲線可見, 在堿性環(huán)境下, 隨著無菌水的注入, 病毒膠體的Zeta電勢升高, DLVO勢壘降低, 初級勢阱變淺, 病毒膠體更易釋放； 在酸性環(huán)境下, 隨著無菌水的注入, 病毒膠體的Zeta電勢降低, DLVO勢壘升高, 病毒膠體更難釋放. 可見在酸性環(huán)境下的遷移實驗中, 受勢壘較低的影響, 腸道病毒膠體被吸附于初級勢阱中, 該過程不可逆, 導(dǎo)致釋放量小.

綜上, 本文可得如下結(jié)論：

1) 地下水酸堿環(huán)境對腸道病毒膠體遷移規(guī)律的影響程度不同. 當(dāng)?shù)叵滤h(huán)境由酸性(pH=5.0)變?yōu)閴A性(pH=9.0)時, 腸道病毒膠體的粒徑減小, Zeta電勢降低, 質(zhì)量回收率增大.

2) 當(dāng)?shù)叵滤伤嵝宰優(yōu)閴A性時, 腸道病毒膠體沉積速率系數(shù)減小, 沉積在巖性介質(zhì)表面的能力減弱.

3) 在酸性環(huán)境下, 腸道病毒膠體的DLVO勢壘較低, 相對不穩(wěn)定； 在堿性環(huán)境下, 腸道病毒膠體的勢壘較高, 穩(wěn)定性相對較好.

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