地下水人工回灌水化學因素對生物堵塞的影響

崔瑞娟,杜新強,冶雪艷 (吉林大學,地下水資源與環境教育部重點實驗室,吉林 長春 130021)

目前,全球有超過224個地下水人工回灌項目正為城市飲用水和農業灌溉用水提供長期供水保障[1,4-7].地下水人工回灌作為一種重要的水資源管理戰略,其發展和推廣越來越受到重視.然而,地下水人工回灌設施的堵塞問題仍是制約其推廣應用的關鍵因素.依據其堵塞成因,地下水人工回灌過程中的堵塞分為物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞3種類型.生物堵塞是回灌過程中的第二大堵塞類型[8],它是由藻類和細菌等微生物生長[9]以及微生物細胞和相關代謝產物的組合,如胞外聚合物(EPS)和產生的氣體引起的[10].研究發現在回灌水中存在高營養負荷的情況下,生物量(細胞和EPS)在含水層孔隙中的積累導致介質滲透性降低[11].與物理堵塞相比,生物堵塞的機理更為復雜,細菌及其代謝產物與懸浮顆粒,金屬離子及有機物之間相互作用,形成更為復雜的堵塞物,在實際回灌過程中很難將化學堵塞,物理堵塞和生物堵塞清晰地區分開來[10].許多環境因素,包括 pH值[12]、碳、氮、磷含量、氧氣濃度[1]以及回灌水中的碳氮比等對微生物生長、EPS產量起直接作用[13-14].除此之外,廣泛存在于回灌水中(雨洪水、河水、地下水等)的化學離子,會通過影響細菌的生長及吸附而對堵塞進程產生顯著的影響,如金屬離子 Zn2+,其濃度低于限值(20mg/L),將會刺激EPS的形成[15],而 Zn2+濃度越高,EPS的形成越受抑制[15].離子強度在地下水人工回灌過程中是不可忽視的,過高或過低的鹽度會影響細菌的生長[17]進而影響生物堵塞的演化規律.大腸桿菌在介質中的沉積量隨離子強度增大而降低(1～100mmol/L)[18],細菌在介質中的吸附隨pH值增大而減小.更有研究表明,離子強度從1mmol/L增加到100mmol/L時,微球在飽和多孔介質中的沉積率增加了52倍[19].

回灌水、地下水與含水介質之間的水-巖作用對生物堵塞的影響也不容忽視[20].回灌水源迅速且集中地進入地下含水層后,急劇地改變了原來水-巖作用的平衡狀態[21],引起新的溶解、沉淀(如介質中的白云石及方解石溶解、沉淀等[22])及陽離子交換反應[23]等過程的發生.回灌過程中的水-巖相互作用不但可能導致水環境中離子濃度的變化甚至會引起水質變化[9-10,24-26].澳大利亞南部地區一個為期5a的人工回灌場地試驗發現,回灌水與含水層基質發生反應,在1a的時間里回灌井周圍有1t方解石發生溶蝕,一定程度上緩解了回灌井中的物理、生物堵塞程度[24], 也引起了地下水的水質變化.西班牙瓜迪亞納盆地的回灌過程中也發現了含水介質的溶解及介質中生物與其他物質引起的復合堵塞[9].以色列沙夫丹的回灌場地回灌過程中由于陽離子交換和 CaCO3溶解及再沉淀導致地下水水質發生了變化[27].

本文在前期研究的基礎上,通過砂柱實驗模擬地下水人工回灌過程中離子強度及水巖作用影響下細菌及胞外聚合物在介質中的運移及沉積情況,并結合DLVO勢能分析、掃描電鏡、紅外光譜及光電子能譜等技術,探討不同水化學因素下細菌與多孔介質之間的相互作用及飽和多孔介質中細菌堵塞的演化規律、堵塞機制,旨在揭示回灌過程中水化學因素影響下細菌在多孔介質中的堵塞機理.

1 材料與方法

1.1 介質與細菌

選用中砂作為供試含水介質,中位粒徑為224.2μm,礦物成分為94%的白云石、3%的菱鎂礦、2%的方解石、1%的石英,在實驗開始之前將介質浸泡在超純水(pH6.9～7.2)中,并進行多次漂洗以去除其表面懸浮物.最后,通過電熱鼓風干燥箱(GZX—9030MBE,上海博訊工業有限公司)在 120℃將其干燥[2].采用濕法裝柱,實驗介質初始孔隙度約為0.4.

銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa P.a)廣泛存在于土壤、空氣及水中[28],能夠形成致密的生物膜,被廣泛用于生物膜研究[29],且在實際回灌場地含水介質[30]、地下水[31]及回灌水源雨水[8]中常作為優勢菌屬出現.因此,本研究選擇銅綠假單胞菌作為模式微生物來研究回灌過程中生物堵塞的發生機理及演化規律.銅綠假單胞菌(購買自中國微生物菌種保藏中心)長 1.5～3.0μm,寬 0.5～0.8μm[28,30,32],在實驗室條件下制備細菌懸液,濃度為OD600=0.5.

1.2 實驗裝置

回灌實驗裝置[33]由4部分組成:供水裝置、滲流裝置、測壓裝置、采樣裝置(CBS-A,滬西分析儀器廠有限公司,上海),如圖1所示.滲流砂柱由有機玻璃制成,柱高 16cm,內徑 2cm.采用蠕動泵定流量供水(4.2mL/min),壓力傳感器(型號 A-10, WIKA,Klingenberg,德國)連接到柱的入口和3,8,13和16cm處,傳感器連接數據采集器(CR-1000, Campbell Scientific, USA)用來評估回灌過程中多孔介質的滲透性變化.出水口的溶液由自動采樣器采集,用來監測水環境的溶解氧、氧化還原電位、pH值、電導率及各離子含量變化.實驗過程中回灌水的離子強度由分析純NaCl調節.

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental setup

1.3 實驗方案

在柱實驗開始之前首先開展了關于水化學因素對微生物生長影響的批實驗,細菌在溫度 37℃的恒溫生化培養箱中(SPX-250B,恒諾利星科技有限公司)下培養 24h.基于批實驗的結果選擇離子強度為0,10,100,200mmol/L開展室內砂柱滲流實驗(表1),研究離子強度對生物堵塞的影響.

表1 實驗方案Table 1 Experimental shemes

1.4 實驗方法

通過砂柱中介質相對滲透系數(Ki’)的變化來判定堵塞演變過程:

式中:Q為出水流量,m3/d;ΔL為任意兩個傳感器之間的距離,m; ΔHi為對應滲流途徑的水頭差,m; A為過水斷面,m2;Ki為介質滲透系數.

實驗結束后將砂柱每厘米作為一層進行拆分,每一層取砂樣約 1g,預處理后利用掃描電鏡(SEM,XL-30ESEM, FEI Co., USA)觀察堵塞物質的形態,此外,取干燥后的砂樣約 1g,利用蛋白試劑盒(Thermo Co., Ltd, USA)測定每份樣品中的蛋白質含量,最后選擇冷凍干燥后的空白樣及堵塞物質進行傅里葉變換紅外光譜(NEXUS, Thermo Nicolet,USA)及光電子能譜(ESCALAB-250Xi, Thermo,USA)分析,探究堵塞前后物質的官能團及化學鍵變化.利用原子吸收分光光度計(AA-6300C, Shimadzu,Japan)測定回灌過程中由介質溶解產生的 Ca2+和Mg2+的含量.采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS, 600-1600W/NexION350D, PerkinElmer Health Sciences Inc, USA)分析從回灌過程中因水-巖作用溶解的鋁和硅含量,并以空白砂柱為對照.出水口溶液中的細菌濃度采用紫外分光光度計在600nm的波長下檢測.

2 結果與分析

2.1 回灌水中離子強度影響下細菌的遷移與滯留

通過一系列的砂柱模擬實驗,分析細菌穿透曲線及蛋白質在砂柱內部的空間分布曲線,得到回灌過程中離子強度對細菌在多孔介質中遷移-滯留的影響(圖2).

圖2 不同條件下的細菌穿透曲線及蛋白質在砂柱中的空間沉積曲線Fig.2 Normalized turbidity profiles for the different ionic strength and the deposition of protein concentration in column

由圖2可以看出,細菌遷移量隨回灌時間先降低后逐漸升高,實驗初期細菌遷移量快速降低的原因主要是在這一階段細菌還未完全附著在介質中,在水流剪切力作用下大量細菌由介質表面脫落,導致初始時期細菌遷移量較大,隨回灌水源的持續入滲,砂柱內細菌的量逐漸減少,表現為遷移量逐漸減小.另一方面,隨離子強度從 0mmol/L增加到200mmol/L,按 DLVO(德亞蓋因-蘭多-弗韋-奧弗比克)理論分析,細菌與介質之間的吸附力增強,但實驗結果表明,細菌在回灌過程中的遷移量逐漸增大,說明影響細菌遷移、沉積的因素并不僅僅是靜電作用,還包括水流速度、疏水性[34]、水合作用、表面粗糙度[35]、電荷異質性[36-37]及 EPS含量[38]、電泳遷移率[39-40]等,例如細菌在低離子強度下表現出較高的疏水性,對應于較高的粘附性和較弱的遷移能力;相反,隨著離子強度的增加,細菌表面EPS的存在導致疏水作用和空間排斥力的改變[41],表現為吸附作用減弱,同時高離子強度可能會導致細菌失水死亡,細菌的粘附性降低,遷移量增加.水中離子強度對細菌的物理化學參數,如表面電荷、疏水性、EPS 含量等的影響也不容忽視.

2.2 介質滲透性演化規律

通過不同離子強度下的一系列砂柱滲流實驗,研究回灌水中離子強度變化對多孔介質中生物堵塞的演化規律(圖3).

圖3 介質相對滲透性變化情況Fig.3 Changes of Ki’in sand column

由圖3可以看出,生物堵塞主要發生在進水口表層,主要受氧氣濃度及營養濃度的限制,且根據表層滲透性變化規律可以得到微生物堵塞具有明顯的階段性[42](圖 3a):穩定階段(0～1000min)、快速下降階段(1000～2000min)和緩慢下降階段(＞2000min),分別對應于細菌的適應階段、指數生長階段和衰減階段.生物堵塞過程中介質的滲透性下降(圖 3a)首先發生在進水口表層(降低了99.5%),隨后,在第2層觀察到明顯的堵塞(約5000min),最后在6000min左右發現第3、4層的介質滲透性有輕微下降.

不同離子強度下的生物堵塞特征(圖3,圖4)表明:隨離子強度增加,生物堵塞開始時間有所延遲;滲透性的初始(24h內)下降率減小;達到嚴重堵塞(Ki’=0.01)的時間延長;實驗末刻(6000min)介質的堵塞程度有所緩解.

圖4 不同離子強度下的生物堵塞特征Fig.4 Characteristics of clogging at different IS

3 討論

3.1 離子強度對細菌生長及EPS產量的影響

離子強度通過調節細胞的滲透壓來保障細菌與外界環境之間營養物質的順利交換,促進細菌在適宜離子強度下的快速生長[43].然而過低的離子強度(小于100～120mmol/L)可能會使細胞吸水膨脹,體積增大,高離子強度則對應較高的外滲透壓,可能引起細胞皺縮,體積減小,重則使細菌脫水、破裂,抑制脂質代謝等生理過程,降低細菌的繁殖能力[17,44-45].因此,高離子強度也延緩了生物堵塞的演化進程.

紅外光譜分析(圖5)表明,在適宜的離子強度作用下EPS產量有所增加.樣品中紅外光譜的峰值在 3500～3200cm-1區間內對應著羥基和蛋白質中氨基的伸縮振動[46-48],并且離子強度由 0到100mmol/ L時,位于 3270cm-1處的吸收峰偏移至3247cm-1且強度更大,表明適宜的離子強度刺激蛋白質產量的增加.圖譜中2925cm-1處的吸收峰對應著烷基鏈(-CH)的伸縮振動,并且振動強度隨著離子強度增加而增加,表明適宜的離子強度促進了細菌的生長繁殖[49].

圖5 不同條件下樣品的紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of the sand samples for different IS

3.2 離子強度改變了介質的表面性質

介質表面電荷的變化對多孔介質中物質的遷移和沉積有很大的影響.自然條件下介質表面因含有帶負電荷的親水羥基[50]而帶負電,同時細菌細胞表面也帶負電荷(pH=6～8)[32],因此,自然條件下二者之間存在靜電斥力.添加外源離子后,介質與細菌之間的相互作用力會發生變化.表面電荷的變化會影響細菌在介質表面的粘附和滯留,而表面電荷的變化主要通過Zeta電位來反映(表2).擴展DLVO理論可以用來分析膠體在介質中的團聚、沉積過程,這個過程是由膠體與固相顆粒表面之間的相互作用力決定的,這些作用力包括雙電層力、疏水作用力、空間排斥力和范德華力.測定實驗過程不同離子強度條件下膠體和介質的電勢(Malvern, Zetasizer Nano Series, Nano-ZS; ZetaCAD-DC? (CAD Instruments,French)),可以分析不同物質之間的相互作用力.圖6為通過Zeta 電勢計算得到的DLVO 勢能.表2給出了不同離子強度下的能量勢壘、初級、次級勢阱的大小.

圖6 不同離子條件下細菌的DLVO勢能曲線Fig.6 DLVO energy profiles for P.a suspension

不同離子強度下細菌的DLVO勢能曲線及相互作用能參數表明:離子強度從 0增加到 100mmol/L時,介質的電勢由-39.8mV 增加至 -11.0mV(表2),這種情況下介質與細菌之間的次級勢阱深度增加,次級勢阱越深,細菌和介質之間的吸引力越強.在較高的離子強度下,有更多的離子由于靜電作用被吸附,壓縮了細菌與細菌、細菌與介質之間的雙電層,減弱了二者之間的斥力,增加了細菌與介質之間的吸附與沉積,從而加速了回灌過程中的生物堵塞進程.但低離子強度下,環境低滲透壓會使細胞吸水膨脹并導致體積增大,在堵塞過程中表現為低離子強度下堵塞速率更快,堵塞程度更嚴重(圖3).與此同時,生物膜的粘附增加了介質表面粗糙度,增強了后續細菌及 EPS在介質中的沉積和物理捕集[51-53].氫鍵作用和靜電作用也是影響 EPS在礦物上吸附的主要作用力[51-53].此外,來自回灌水的 Na+通過離子橋接與EPS相結合,促進了細胞吸附,加速了生物量的積累.從實驗結束后的堵塞物質掃描電鏡圖(圖 7a)觀察到:較厚的生物膜和菌落包裹在砂體表面(圖7a),這些物質首先占據了介質之間的孔喉[55],使水流入滲通道變窄,同時在砂體入口處出現了膠狀生物膜的覆蓋(圖 7b),導致介質滲透性降低,多孔介質發生堵塞.

表2 不同離子強度條件下的 Zeta 電勢和 DLVO 相互作用能參數Table 2 DLVO interaction parameters in indicated solution chemistries

圖7 實驗結束后砂表面粘附的生物膜掃描電鏡圖及砂柱進水口堵塞物質Fig.7 SEM image of the samples (IS=100mmol/L) and colloidal substances at the inlet

3.3 水-巖作用影響介質的溶解及再沉淀

硅藻、異養菌及藍細菌的活動會造成其附著位置局部pH值明顯升高甚至超過9,進而導致介質中的硅溶解[56].同時,介質中的碳酸鹽水解也會導致環境中的 pH值上升(圖8),這進一步引起介質中其他物質如Al2O3、SiO2溶解,滲流環境中的水化學因素發生改變,出水口中發現溶解產生的Ca2+、以及微量的Mg2+、Si、Al,且離子含量隨回灌時間增加而增加(圖9),介質中碳酸鹽的溶解主要發生在進水口,并且在一定程度上緩解了生物堵塞,這與先前的研究結果一致[24].反過來,這些陽離子又會刺激微生物的生長以及促進細菌與介質之間的吸附.

圖8 回灌過程中環境pH值變化Fig.8 Changes in pH during bacteria growth

圖9 出水口溶液中Ca2+、Mg2+、SiO32-及Al含量Fig.9 The contents of Ca2+, Mg2+, SiO32- and Al in outlet solution

pH值增大導致礦物溶解使介質的孔隙度和比表面積增大[57],細菌生長和生物膜的積累導致多孔介質孔隙體積減小,這兩個過程引起的介質體積變化之間存在動態平衡,表現為在回灌初始階段介質相對滲透性一直在 1上下波動.當細菌生長達到對數期,細菌及生物膜占據的孔隙體積大于礦物溶解釋放的體積時,表現為介質滲透性快速下降,堵塞進入第二階段.此外,由于介質水解溶出的Ca2+、Mg2+、SiO32-及Al(Ⅲ) 通過離子橋接、鍵合作用和官能團重建等方式吸附在生物膜和介質表面,進一步形成新的沉淀,增加了介質堵塞的概率(式(2)～(6)).

XPS和FTIR圖譜分析揭示了新的物質生成,同時證實了生物堵塞過程中離子與細菌官能團之間的結合.在FTIR光譜中(圖 10a),吸收峰從1653cm-1偏移到 1643cm-1,表明有新物質((R)-C=O)[3-4]生成.這些峰值在離子強度作用下變得更強,表明離子強度刺激了 EPS的產生,并通過官能團與離子之間的結合改變了生物膜的表面性質.并且在 1050cm-1處出現了Si-O-Al峰[5],進一步證實了硅、鋁化合物溶解并發生了再沉淀(圖10a).

圖10 不同離子強度下的堵塞物質紅外光譜及各元素的光電子能譜圖Fig.10 FTIR and XPS spectra of sand samples in varying IS

XPS圖譜分析發現,當離子強度增加到100mmol/L時,XPS圖譜中出現了Na1s和Cl1s,進一步表明通過靜電引力和離子架橋作用,物質之間的化學鍵發生了變化(圖10b).此外,以不同形式附著在介質表面的O、Si、Al含量隨離子強度增加而增加.Si 2p的 XPS譜圖(圖 10c)顯示,O-Si-O 的結合能從102.9eV下降到102.4eV,這表明溶解的Si與其他元素結合形成了 Ca-Si-O(CaSiO3)/n-Si-n/(Si-CH3-O)n,并 且 103.4eV (-OCH2CH(CH2O(CH2)3Si(OCH3)3)-)n、101.8eV(-Si(CH3)2-C6H4-Si(CH3)2-O-)n處的峰值進一步證實 Si與 EPSs相結合.此外,Mg 1s的 XPS圖譜顯示,離子強度增加至10mmol/L時,結合能增大,Mg元素主要以鍵 Mg-Si4O10(OH)2(1305.5eV)、Mg-Al2O4(1304.5eV)存在,當離子強度增大到 100mmol/L時,Mg元素主要以Mg-Cl(1305eV)、Mg-Si4O10(OH)2(1305.5eV)和Mg-SiO3(1304.1eV)鍵(圖 10d)的形式存在.表明回灌過程中水化學因素下有新的化學鍵形成,出現新的聚合物及新的沉淀物占據了孔隙體積,增強了介質堵塞的概率.

4 結論

4.1 回灌過程中的生物堵塞表現出明顯的階段性:穩定階段(0～1000min)、快速下降階段(1000～2000min)和緩慢下降階段(＞2000min),分別對應于細菌生長的適應階段、指數生長階段和衰減階段.適當的離子強度促進了細菌的生長和生物量的增加,而過高或過低的離子強度則抑制了細菌生長繁殖.

4.2 離子強度改變了介質和細菌表面的Zeta電位,促進了二者之間的吸附.在介質水解作用下,介質中的可溶性物質溶解,釋放了一部分孔隙體積,導致細菌占據的孔隙與介質溶解釋放的孔隙在一段時間內處于動態平衡.高離子強度下細菌生長量較少,導致生物堵塞開始時間延遲,堵塞速率減小,堵塞程度減緩.

4.3 介質溶解導致了滲流環境中的水化學因素發生改變,這一過程產生的Ca2+、微量的Mg2+、SiO32-和Al(Ⅲ)與生物膜表面的官能團以新化學鍵和官能團的形式形成新的物質占據多孔介質孔隙,加速了堵塞的發生.反過來沉淀物與 EPS在介質表面的粘附進一步改變了介質的表面性質,例如增加了介質的表面粗糙度及改變介質的表面電荷,促進了更多的物質被捕獲.研究表明,除了營養鹽濃度、溫度、pH值等對微生物生長起直接作用的因素外,回灌水中離子強度以及回灌過程中水-巖作用的不同,對微生物堵塞的發生和演化也有重要影響.