不同pH條件下病毒理化性質分析

李天宇，林山杉，孫 欣，張業文

(1.東北師范大學環境學院，吉林 長春 130117；2.東北師范大學政法學院，吉林 長春 130117)

細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].在過去的幾十年間，地下水資源的病毒污染問題已引起各國科學家的高度關注，并進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菌和病毒等微生物體積小，在通過多孔介質時不容易被過濾、凈化[2-4]，因此，對于地下水資源的病毒污染如果處理不當，污染物會通過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[5-7].

隨著分子生物技術的快速發展以及社會關注的提高，對病毒在不同水化學條件下的研究已逐漸成為環境修復工程、土壤學和水資源保護等方面的重要研究內容[8].

目前，有關膠體的研究已經取得了巨大進展，膠體懸浮液特征隨自身水化學條件變化而變化的理論研究和實驗研究均較為成熟[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，隨著生物大分子技術的快速發展以及水環境病毒污染越來越嚴重，大量國內外學者開始研究病毒在水環境中的存在形式與遷移轉化規律[12-13].通過研究病毒在自然水環境中的遷移規律[14]、吸附-解吸規律[15]、自然衰減規律[16]，預測病毒在自然水環境中的存在形式與遷移轉化過程.本文通過改變溶液pH條件，探究了病毒在多孔介質溶液中的穩定性變化.

1 研究方法

1.1 實驗材料

1.2 實驗步驟

圖1 實驗裝置

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，連續通水8 h；再將配置好的pH及離子強度的病毒溶液通入實驗裝置中，并在通入溶液8 h后取樣；通入去離子水，沖出實驗裝置中殘余的病毒顆粒；對樣品進行溶液病毒顆粒粒徑及Zeta電勢檢測；按設計重新配置病毒溶液，重復上述實驗.

2 實驗結果與分析

2.1 不同水化學條件下病毒粒徑變化

實驗設計了3組不同pH的實驗條件，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，溶液離子強度小于0.002 mmol/kg.

通過馬爾文粒度儀測定不同pH條件下病毒粒徑的分布，結果見圖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、粒徑占比測定結果見表1.

圖2 不同pH條件下病毒粒徑分布圖

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

由表1可見，不同水化學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，酸性水化學條件(pH=5.0)對病毒粒徑影響最大，此時病毒粒徑遠大于中性(pH=7.0)和堿性(pH=9.0)條件下的粒徑；中性與堿性水化學條件下病毒粒徑大小相近.

中性水化學條件下，病毒粒徑分布存在兩個區間，其中主區間粒徑約為271.9 nm，占病毒顆粒的95.3%；另一區間粒徑約為5 378.0 nm，約占4.7%，這部分病毒顆粒粒徑過大，遠大于膠體粒徑范圍，會產生沉淀.

2.2 不同水化學條件下Zeta電勢

對不同水化學條件下所采集實驗樣品用馬爾文粒度儀進行Zeta電勢檢測，結果見表2.

表2 不同水化學條件下病毒溶液中病毒顆粒Zeta電勢 mV

對表格2數據進行四分衛數計算，再由計算數據做出不同水化學條件下病毒顆粒Zeta電勢箱形圖，結果見圖3.

進行實驗設計是開展科學探究的重要組成部分，實驗設計是圍繞所提出的問題進行實驗方案設計的思維過程，有助于培養學生的探究能力和科學思維，促進其學科核心素養的養成。實驗設計的關鍵在于變量的確定及控制。在生物學教學中，學生常因為不能正確地分析變量，所以難以設計出比較完整的實驗方案，進而影響其實驗設計能力的發展。因此加強變量分析教學，幫助學生掌握實驗設計的各種變量及其控制方法，是提高學生實驗設計能力發展的有效途徑。

圖3 不同水化學條件下病毒顆粒Zeta電勢箱形圖

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

2.3 不同水化學條件下病毒顆粒間DLVO穩定性分析

不同水化學條件下病毒理化性質不同，水化學條件的改變會導致病毒顆粒粒徑、Zeta電勢等理化性質的改變，使得病毒溶液中病毒顆粒之間的引力勢能(范德華力)和斥力勢能(雙電層勢能)發生改變，進而影響顆粒間總勢能.溶液中病毒顆粒運動狀態發生改變，病毒溶液穩定性隨之相應變化，造成病毒顆粒聚集以及沉淀現象的發生.

計算分析病毒溶液中病毒顆粒間的引力勢能與斥力勢能，得出總勢能，進而分析病毒溶液的穩定性，所需參數見表3.

表3 病毒DLVO計算Excel數據參數表

對不同水化學條件下所采集實驗樣品用馬爾文粒度儀進行Zeta電勢檢測并檢測樣品溶液中病毒膠體的粒徑及其分布，得到不同水化學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電勢數據帶入表3，通過有關公式計算得出不同pH條件下病毒顆粒總勢能圖(見圖4).

圖4 不同pH條件下病毒顆粒間總勢能圖

由圖4可見，在3種pH水化學條件下，當兩病毒顆粒距離超過20 nm時，顆粒間引力勢能(范德華力)與斥力勢能靜電斥力基本為零，病毒顆粒間基本保持穩定.由于pH=9時病毒顆粒的電勢較低(-7.84 mV)，當距離逐漸縮小時，顆粒間斥力勢能以較快的趨勢不斷增大，增大速度遠大于pH=5.0(電勢為-3.76 mV)和pH=7.0(電勢為-7.84 mV)時；由于范德華力一般與分子間距離成指數型反比關系，所以當分子間距離減小時，引力勢能以越來越快的趨勢增長，pH=9時引力勢能增長速率要小于pH=5.0時，與pH=7.0時接近.

當病毒顆粒間距較大時(>20 nm)病毒總勢能接近于0，顆粒間基本保持穩定；隨顆粒間距的減小，病毒顆粒間總勢能先增大再減小到0；隨著病毒間距繼續減小，總勢能向引力勢能方向快速增大.pH=5時總勢能曲線上不存在勢壘，病毒顆粒很容易發生碰撞，進而聚集或沉聚；pH=7時，總勢能曲線上存在一個較小的勢壘，約為5 kT；pH=9時，總勢能曲線上存在一個較大的勢壘，約為60 kT，若病毒顆粒總動能能越過勢壘，病毒顆粒會產生聚集現象.

綜上所述，在pH=9.0的水化學條件下，病毒顆粒之間斥力勢能占優勢，有較大的勢壘，病毒溶液中病毒顆粒間基本保持穩定，其穩定性遠大于pH=5.0與pH=7.0時.病毒顆粒間穩定性受pH值變化影響，隨pH值增大病毒溶液中病毒顆粒間穩定性不斷增強.pH=5.0時的病毒顆粒間不穩定；pH=7.0時病毒顆粒較穩定；pH=9.0時病毒顆粒間穩定性更強.

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

2.4 不同pH條件下病毒顆粒與玻璃介質間DLVO穩定性分析

根據表3計算得出相應水化學條件下病毒顆粒間引力勢能與斥力勢能，并做出DLVO總勢能圖(見圖5).

圖5 不同水化學條件下病毒顆粒與玻璃介質間總勢能圖

由圖5可見，當病毒顆粒與玻璃介質間距較大時(>20 nm)，總勢能接近于零，病毒顆粒與玻璃介質間基本保持穩定；隨著病毒顆粒與玻璃介質間距減小，病毒顆粒與玻璃介質總勢能先非常緩慢地增大再減小到0，再向引力勢能方向快速增大，若病毒顆粒總動能越過勢壘，病毒顆粒會吸附到玻璃介質上.

在pH=5.0的水化學條件下，總勢能曲線上存在一個很小的勢壘，幾乎為0.病毒顆粒與玻璃介質間穩定性較差，很容易發生吸附反應.在pH=7.0的水化學條件下，總勢能曲線上存在一個較小的勢壘，約為20 kT，病毒顆粒動能大于勢壘數值，發生吸附反應.在pH=9.0的水化學條件下，總勢能曲線上存在一個較大的勢壘，約為76 kT.若病毒顆粒總動能越過勢壘，病毒顆粒會吸附到玻璃介質上.

當pH=9時總勢能曲線上存在一個較大的勢壘，遠大于pH=5.0和pH=7.0時，病毒顆粒與玻璃介質間穩定性較pH=5.0和pH=7.0時強很多，發生吸附反應的概率較小.

綜上所述，病毒顆粒與玻璃介質間穩定性受pH值變化影響，病毒顆粒與玻璃介質間DLVO總勢能勢壘隨pH值增大而增大，病毒溶液中病毒顆粒與玻璃介質間穩定性不斷增強.

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

2.5 不同水化學條件下病毒溶液穩定性分析

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

不同水化學條件下病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質間總勢能圖趨勢基本一致，水化學條件主要影響總勢能曲線上勢壘的大小，勢壘數值越大，病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質間穩定性越強.不同水化學條件下病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質間勢壘數據見表6.

表4 不同水化學條件下病毒顆粒DLVO勢壘

由表4可知：

相同pH水化學條件下，病毒顆粒間勢壘比病毒顆粒與玻璃介質間勢壘小，病毒顆粒與玻璃介質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更傾向于病毒顆粒間的聚集.

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

不同水化學條件下病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質間總勢能圖趨勢基本一致，不同水化學條件主要影響總勢能曲線上勢壘的大小，勢壘越大，病毒顆粒間、病毒顆粒與玻璃介質間穩定性越強.

3 結 論

本文研究了不同水化學條件下病毒理化性質的變化情況，進而通過DLVO理論計算了病毒溶液中病毒顆粒間以及病毒顆粒與玻璃介質之間引力勢能(范德華力)與斥力勢能(雙電層勢能)的變化情況，得出了病毒溶液穩定性與水化學條件的關系.結論如下：

(1) 不同水化學條件下，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；酸性水化學條件(pH=5.0)對病毒粒徑影響最大，此時病毒粒徑遠大于中性(pH=7.0)和堿性(pH=9.0)水化學條件下的病毒粒徑；中性與堿性水化學條件下病毒粒徑相似.

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

(3) 相同pH條件下，病毒顆粒間的勢壘比病毒顆粒與玻璃介質間的勢壘小，病毒顆粒與玻璃介質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) 不同水化學條件下，隨著pH值的增大，病毒顆粒間勢壘、病毒顆粒與玻璃介質間勢壘不斷增大，病毒溶液中病毒顆粒與玻璃介質間的吸附作用以及病毒顆粒間的聚集作用發生概率更小，溶液穩定性更高.