地下水人工回灌水化学因素对生物堵塞的影响

崔瑞娟,杜新强,冶雪艳 (吉林大学,地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021)

目前,全球有超过224个地下水人工回灌项目正为城市饮用水和农业灌溉用水提供长期供水保障[1,4-7].地下水人工回灌作为一种重要的水资源管理战略,其发展和推广越来越受到重视.然而,地下水人工回灌设施的堵塞问题仍是制约其推广应用的关键因素.依据其堵塞成因,地下水人工回灌过程中的堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种类型.生物堵塞是回灌过程中的第二大堵塞类型[8],它是由藻类和细菌等微生物生长[9]以及微生物细胞和相关代谢产物的组合,如胞外聚合物(EPS)和产生的气体引起的[10].研究发现在回灌水中存在高营养负荷的情况下,生物量(细胞和EPS)在含水层孔隙中的积累导致介质渗透性降低[11].与物理堵塞相比,生物堵塞的机理更为复杂,细菌及其代谢产物与悬浮颗粒,金属离子及有机物之间相互作用,形成更为复杂的堵塞物,在实际回灌过程中很难将化学堵塞,物理堵塞和生物堵塞清晰地区分开来[10].许多环境因素,包括 pH值[12]、碳、氮、磷含量、氧气浓度[1]以及回灌水中的碳氮比等对微生物生长、EPS产量起直接作用[13-14].除此之外,广泛存在于回灌水中(雨洪水、河水、地下水等)的化学离子,会通过影响细菌的生长及吸附而对堵塞进程产生显著的影响,如金属离子 Zn2+,其浓度低于限值(20mg/L),将会刺激EPS的形成[15],而 Zn2+浓度越高,EPS的形成越受抑制[15].离子强度在地下水人工回灌过程中是不可忽视的,过高或过低的盐度会影响细菌的生长[17]进而影响生物堵塞的演化规律.大肠杆菌在介质中的沉积量随离子强度增大而降低(1～100mmol/L)[18],细菌在介质中的吸附随pH值增大而减小.更有研究表明,离子强度从1mmol/L增加到100mmol/L时,微球在饱和多孔介质中的沉积率增加了52倍[19].

回灌水、地下水与含水介质之间的水-岩作用对生物堵塞的影响也不容忽视[20].回灌水源迅速且集中地进入地下含水层后,急剧地改变了原来水-岩作用的平衡状态[21],引起新的溶解、沉淀(如介质中的白云石及方解石溶解、沉淀等[22])及阳离子交换反应[23]等过程的发生.回灌过程中的水-岩相互作用不但可能导致水环境中离子浓度的变化甚至会引起水质变化[9-10,24-26].澳大利亚南部地区一个为期5a的人工回灌场地试验发现,回灌水与含水层基质发生反应,在1a的时间里回灌井周围有1t方解石发生溶蚀,一定程度上缓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质变化.西班牙瓜迪亚纳盆地的回灌过程中也发现了含水介质的溶解及介质中生物与其他物质引起的复合堵塞[9].以色列沙夫丹的回灌场地回灌过程中由于阳离子交换和 CaCO3溶解及再沉淀导致地下水水质发生了变化[27].

本文在前期研究的基础上,通过砂柱实验模拟地下水人工回灌过程中离子强度及水岩作用影响下细菌及胞外聚合物在介质中的运移及沉积情况,并结合DLVO势能分析、扫描电镜、红外光谱及光电子能谱等技术,探讨不同水化学因素下细菌与多孔介质之间的相互作用及饱和多孔介质中细菌堵塞的演化规律、堵塞机制,旨在揭示回灌过程中水化学因素影响下细菌在多孔介质中的堵塞机理.

1.1 介质与细菌

选用中砂作为供试含水介质,中位粒径为224.2μm,矿物成分为94%的白云石、3%的菱镁矿、2%的方解石、1%的石英,在实验开始之前将介质浸泡在超纯水(pH6.9～7.2)中,并进行多次漂洗以去除其表面悬浮物.最后,通过电热鼓风干燥箱(GZX—9030MBE,上海博讯工业有限公司)在 120℃将其干燥[2].采用湿法装柱,实验介质初始孔隙度约为0.4.

铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa P.a)广泛存在于土壤、空气及水中[28],能够形成致密的生物膜,被广泛用于生物膜研究[29],且在实际回灌场地含水介质[30]、地下水[31]及回灌水源雨水[8]中常作为优势菌属出现.因此,本研究选择铜绿假单胞菌作为模式微生物来研究回灌过程中生物堵塞的发生机理及演化规律.铜绿假单胞菌(购买自中国微生物菌种保藏中心)长 1.5～3.0μm,宽 0.5～0.8μm[28,30,32],在实验室条件下制备细菌悬液,浓度为OD600=0.5.

1.2 实验装置

回灌实验装置[33]由4部分组成:供水装置、渗流装置、测压装置、采样装置(CBS-A,沪西分析仪器厂有限公司,上海),如图1所示.渗流砂柱由有机玻璃制成,柱高 16cm,内径 2cm.采用蠕动泵定流量供水(4.2mL/min),压力传感器(型号 A-10, WIKA,Klingenberg,德国)连接到柱的入口和3,8,13和16cm处,传感器连接数据采集器(CR-1000, Campbell Scientific, USA)用来评估回灌过程中多孔介质的渗透性变化.出水口的溶液由自动采样器采集,用来监测水环境的溶解氧、氧化还原电位、pH值、电导率及各离子含量变化.实验过程中回灌水的离子强度由分析纯NaCl调节.

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup

1.3 实验方案

在柱实验开始之前首先开展了关于水化学因素对微生物生长影响的批实验,细菌在温度 37℃的恒温生化培养箱中(SPX-250B,恒诺利星科技有限公司)下培养 24h.基于批实验的结果选择离子强度为0,10,100,200mmol/L开展室内砂柱渗流实验(表1),研究离子强度对生物堵塞的影响.

表1 实验方案Table 1 Experimental shemes

1.4 实验方法

通过砂柱中介质相对渗透系数(Ki’)的变化来判定堵塞演变过程:

式中:Q为出水流量,m3/d;ΔL为任意两个传感器之间的距离,m; ΔHi为对应渗流途径的水头差,m; A为过水断面,m2;Ki为介质渗透系数.

实验结束后将砂柱每厘米作为一层进行拆分,每一层取砂样约 1g,预处理后利用扫描电镜(SEM,XL-30ESEM, FEI Co., USA)观察堵塞物质的形态,此外,取干燥后的砂样约 1g,利用蛋白试剂盒(Thermo Co., Ltd, USA)测定每份样品中的蛋白质含量,最后选择冷冻干燥后的空白样及堵塞物质进行傅里叶变换红外光谱(NEXUS, Thermo Nicolet,USA)及光电子能谱(ESCALAB-250Xi, Thermo,USA)分析,探究堵塞前后物质的官能团及化学键变化.利用原子吸收分光光度计(AA-6300C, Shimadzu,Japan)测定回灌过程中由介质溶解产生的 Ca2+和Mg2+的含量.采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, 600-1600W/NexION350D, PerkinElmer Health Sciences Inc, USA)分析从回灌过程中因水-岩作用溶解的铝和硅含量,并以空白砂柱为对照.出水口溶液中的细菌浓度采用紫外分光光度计在600nm的波长下检测.

2.1 回灌水中离子强度影响下细菌的迁移与滞留

通过一系列的砂柱模拟实验,分析细菌穿透曲线及蛋白质在砂柱内部的空间分布曲线,得到回灌过程中离子强度对细菌在多孔介质中迁移-滞留的影响(图2).

图2 不同条件下的细菌穿透曲线及蛋白质在砂柱中的空间沉积曲线Fig.2 Normalized turbidity profiles for the different ionic strength and the deposition of protein concentration in column

由图2可以看出,细菌迁移量随回灌时间先降低后逐渐升高,实验初期细菌迁移量快速降低的原因主要是在这一阶段细菌还未完全附着在介质中,在水流剪切力作用下大量细菌由介质表面脱落,导致初始时期细菌迁移量较大,随回灌水源的持续入渗,砂柱内细菌的量逐渐减少,表现为迁移量逐渐减小.另一方面,随离子强度从 0mmol/L增加到200mmol/L,按 DLVO(德亚盖因-兰多-弗韦-奥弗比克)理论分析,细菌与介质之间的吸附力增强,但实验结果表明,细菌在回灌过程中的迁移量逐渐增大,说明影响细菌迁移、沉积的因素并不仅仅是静电作用,还包括水流速度、疏水性[34]、水合作用、表面粗糙度[35]、电荷异质性[36-37]及 EPS含量[38]、电泳迁移率[39-40]等,例如细菌在低离子强度下表现出较高的疏水性,对应于较高的粘附性和较弱的迁移能力;相反,随着离子强度的增加,细菌表面EPS的存在导致疏水作用和空间排斥力的改变[41],表现为吸附作用减弱,同时高离子强度可能会导致细菌失水死亡,细菌的粘附性降低,迁移量增加.水中离子强度对细菌的物理化学参数,如表面电荷、疏水性、EPS 含量等的影响也不容忽视.

2.2 介质渗透性演化规律

通过不同离子强度下的一系列砂柱渗流实验,研究回灌水中离子强度变化对多孔介质中生物堵塞的演化规律(图3).

图3 介质相对渗透性变化情况Fig.3 Changes of Ki’in sand column

由图3可以看出,生物堵塞主要发生在进水口表层,主要受氧气浓度及营养浓度的限制,且根据表层渗透性变化规律可以得到微生物堵塞具有明显的阶段性[42](图 3a):稳定阶段(0～1000min)、快速下降阶段(1000～2000min)和缓慢下降阶段(＞2000min),分别对应于细菌的适应阶段、指数生长阶段和衰减阶段.生物堵塞过程中介质的渗透性下降(图 3a)首先发生在进水口表层(降低了99.5%),随后,在第2层观察到明显的堵塞(约5000min),最后在6000min左右发现第3、4层的介质渗透性有轻微下降.

不同离子强度下的生物堵塞特征(图3,图4)表明:随离子强度增加,生物堵塞开始时间有所延迟;渗透性的初始(24h内)下降率减小;达到严重堵塞(Ki’=0.01)的时间延长;实验末刻(6000min)介质的堵塞程度有所缓解.

图4 不同离子强度下的生物堵塞特征Fig.4 Characteristics of clogging at different IS

3.1 离子强度对细菌生长及EPS产量的影响

离子强度通过调节细胞的渗透压来保障细菌与外界环境之间营养物质的顺利交换,促进细菌在适宜离子强度下的快速生长[43].然而过低的离子强度(小于100～120mmol/L)可能会使细胞吸水膨胀,体积增大,高离子强度则对应较高的外渗透压,可能引起细胞皱缩,体积减小,重则使细菌脱水、破裂,抑制脂质代谢等生理过程,降低细菌的繁殖能力[17,44-45].因此,高离子强度也延缓了生物堵塞的演化进程.

红外光谱分析(图5)表明,在适宜的离子强度作用下EPS产量有所增加.样品中红外光谱的峰值在 3500～3200cm-1区间内对应着羟基和蛋白质中氨基的伸缩振动[46-48],并且离子强度由 0到100mmol/ L时,位于 3270cm-1处的吸收峰偏移至3247cm-1且强度更大,表明适宜的离子强度刺激蛋白质产量的增加.图谱中2925cm-1处的吸收峰对应着烷基链(-CH)的伸缩振动,并且振动强度随着离子强度增加而增加,表明适宜的离子强度促进了细菌的生长繁殖[49].

图5 不同条件下样品的红外光谱图Fig.5 FTIR spectra of the sand samples for different IS

3.2 离子强度改变了介质的表面性质

介质表面电荷的变化对多孔介质中物质的迁移和沉积有很大的影响.自然条件下介质表面因含有带负电荷的亲水羟基[50]而带负电,同时细菌细胞表面也带负电荷(pH=6～8)[32],因此,自然条件下二者之间存在静电斥力.添加外源离子后,介质与细菌之间的相互作用力会发生变化.表面电荷的变化会影响细菌在介质表面的粘附和滞留,而表面电荷的变化主要通过Zeta电位来反映(表2).扩展DLVO理论可以用来分析胶体在介质中的团聚、沉积过程,这个过程是由胶体与固相颗粒表面之间的相互作用力决定的,这些作用力包括双电层力、疏水作用力、空间排斥力和范德华力.测定实验过程不同离子强度条件下胶体和介质的电势(Malvern, Zetasizer Nano Series, Nano-ZS; ZetaCAD-DC® (CAD Instruments,French)),可以分析不同物质之间的相互作用力.图6为通过Zeta 电势计算得到的DLVO 势能.表2给出了不同离子强度下的能量势垒、初级、次级势阱的大小.

图6 不同离子条件下细菌的DLVO势能曲线Fig.6 DLVO energy profiles for P.a suspension

不同离子强度下细菌的DLVO势能曲线及相互作用能参数表明:离子强度从 0增加到 100mmol/L时,介质的电势由-39.8mV 增加至 -11.0mV(表2),这种情况下介质与细菌之间的次级势阱深度增加,次级势阱越深,细菌和介质之间的吸引力越强.在较高的离子强度下,有更多的离子由于静电作用被吸附,压缩了细菌与细菌、细菌与介质之间的双电层,减弱了二者之间的斥力,增加了细菌与介质之间的吸附与沉积,从而加速了回灌过程中的生物堵塞进程.但低离子强度下,环境低渗透压会使细胞吸水膨胀并导致体积增大,在堵塞过程中表现为低离子强度下堵塞速率更快,堵塞程度更严重(图3).与此同时,生物膜的粘附增加了介质表面粗糙度,增强了后续细菌及 EPS在介质中的沉积和物理捕集[51-53].氢键作用和静电作用也是影响 EPS在矿物上吸附的主要作用力[51-53].此外,来自回灌水的 Na+通过离子桥接与EPS相结合,促进了细胞吸附,加速了生物量的积累.从实验结束后的堵塞物质扫描电镜图(图 7a)观察到:较厚的生物膜和菌落包裹在砂体表面(图7a),这些物质首先占据了介质之间的孔喉[55],使水流入渗通道变窄,同时在砂体入口处出现了胶状生物膜的覆盖(图 7b),导致介质渗透性降低,多孔介质发生堵塞.

表2 不同离子强度条件下的 Zeta 电势和 DLVO 相互作用能参数Table 2 DLVO interaction parameters in indicated solution chemistries

图7 实验结束后砂表面粘附的生物膜扫描电镜图及砂柱进水口堵塞物质Fig.7 SEM image of the samples (IS=100mmol/L) and colloidal substances at the inlet

3.3 水-岩作用影响介质的溶解及再沉淀

硅藻、异养菌及蓝细菌的活动会造成其附着位置局部pH值明显升高甚至超过9,进而导致介质中的硅溶解[56].同时,介质中的碳酸盐水解也会导致环境中的 pH值上升(图8),这进一步引起介质中其他物质如Al2O3、SiO2溶解,渗流环境中的水化学因素发生改变,出水口中发现溶解产生的Ca2+、以及微量的Mg2+、Si、Al,且离子含量随回灌时间增加而增加(图9),介质中碳酸盐的溶解主要发生在进水口,并且在一定程度上缓解了生物堵塞,这与先前的研究结果一致[24].反过来,这些阳离子又会刺激微生物的生长以及促进细菌与介质之间的吸附.

图8 回灌过程中环境pH值变化Fig.8 Changes in pH during bacteria growth

图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值增大导致矿物溶解使介质的孔隙度和比表面积增大[57],细菌生长和生物膜的积累导致多孔介质孔隙体积减小,这两个过程引起的介质体积变化之间存在动态平衡,表现为在回灌初始阶段介质相对渗透性一直在 1上下波动.当细菌生长达到对数期,细菌及生物膜占据的孔隙体积大于矿物溶解释放的体积时,表现为介质渗透性快速下降,堵塞进入第二阶段.此外,由于介质水解溶出的Ca2+、Mg2+、SiO32-及Al(Ⅲ) 通过离子桥接、键合作用和官能团重建等方式吸附在生物膜和介质表面,进一步形成新的沉淀,增加了介质堵塞的概率(式(2)～(6)).

XPS和FTIR图谱分析揭示了新的物质生成,同时证实了生物堵塞过程中离子与细菌官能团之间的结合.在FTIR光谱中(图 10a),吸收峰从1653cm-1偏移到 1643cm-1,表明有新物质((R)-C=O)[3-4]生成.这些峰值在离子强度作用下变得更强,表明离子强度刺激了 EPS的产生,并通过官能团与离子之间的结合改变了生物膜的表面性质.并且在 1050cm-1处出现了Si-O-Al峰[5],进一步证实了硅、铝化合物溶解并发生了再沉淀(图10a).

图10 不同离子强度下的堵塞物质红外光谱及各元素的光电子能谱图Fig.10 FTIR and XPS spectra of sand samples in varying IS

XPS图谱分析发现,当离子强度增加到100mmol/L时,XPS图谱中出现了Na1s和Cl1s,进一步表明通过静电引力和离子架桥作用,物质之间的化学键发生了变化(图10b).此外,以不同形式附着在介质表面的O、Si、Al含量随离子强度增加而增加.Si 2p的 XPS谱图(图 10c)显示,O-Si-O 的结合能从102.9eV下降到102.4eV,这表明溶解的Si与其他元素结合形成了 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处的峰值进一步证实 Si与 EPSs相结合.此外,Mg 1s的 XPS图谱显示,离子强度增加至10mmol/L时,结合能增大,Mg元素主要以键 Mg-Si4O10(OH)2(1305.5eV)、Mg-Al2O4(1304.5eV)存在,当离子强度增大到 100mmol/L时,Mg元素主要以Mg-Cl(1305eV)、Mg-Si4O10(OH)2(1305.5eV)和Mg-SiO3(1304.1eV)键(图 10d)的形式存在.表明回灌过程中水化学因素下有新的化学键形成,出现新的聚合物及新的沉淀物占据了孔隙体积,增强了介质堵塞的概率.

4.1 回灌过程中的生物堵塞表现出明显的阶段性:稳定阶段(0～1000min)、快速下降阶段(1000～2000min)和缓慢下降阶段(＞2000min),分别对应于细菌生长的适应阶段、指数生长阶段和衰减阶段.适当的离子强度促进了细菌的生长和生物量的增加,而过高或过低的离子强度则抑制了细菌生长繁殖.

4.2 离子强度改变了介质和细菌表面的Zeta电位,促进了二者之间的吸附.在介质水解作用下,介质中的可溶性物质溶解,释放了一部分孔隙体积,导致细菌占据的孔隙与介质溶解释放的孔隙在一段时间内处于动态平衡.高离子强度下细菌生长量较少,导致生物堵塞开始时间延迟,堵塞速率减小,堵塞程度减缓.

4.3 介质溶解导致了渗流环境中的水化学因素发生改变,这一过程产生的Ca2+、微量的Mg2+、SiO32-和Al(Ⅲ)与生物膜表面的官能团以新化学键和官能团的形式形成新的物质占据多孔介质孔隙,加速了堵塞的发生.反过来沉淀物与 EPS在介质表面的粘附进一步改变了介质的表面性质,例如增加了介质的表面粗糙度及改变介质的表面电荷,促进了更多的物质被捕获.研究表明,除了营养盐浓度、温度、pH值等对微生物生长起直接作用的因素外,回灌水中离子强度以及回灌过程中水-岩作用的不同,对微生物堵塞的发生和演化也有重要影响.

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