数值模拟和量化自然有机物对大肠杆菌在饱和多孔介质迁移的影响

地下水作为我国主要的饮用水源,90%已被污染。大肠杆菌是主要污染之一。提高对大肠杆菌等微生物胶体在多孔介质中迁移的预测能力是保证饮水安全的首要任务。多孔介质表面普遍覆盖有机物，造成介质表面吸附性能非均质，现有数值模型尚不能模拟在有机物影响下微生物胶体的迁移过程，目前的研究大多局限于定性地解释有机物的影响机理，而模拟，量化，和预测这些影响机理尚未实现。. 本研究在申请人博士课题工作的基础上深化和扩展，将通过柱实验和一维数值模拟，系统地量化在各种环境因素共同作用下典型自然有机物对大肠杆菌在多孔介质表面沉降迁移的影响。此外，我们将开发数值模型模拟在覆盖有两种典型有机物的多孔介质表面，病菌的沉降迁移动态过程。此研究建立的一维模型和方法将为今后在三维现场预测胶体迁移建立平台。

大肠杆菌等生物胶体，在地下水系统中具有一定的迁移能力，使之可能进入饮水井，构成水致地方病的隐患。有机物广泛存在于地下水饱和多孔介质中，对胶体迁移具有复杂的控制作用。目前，有机物对胶体迁移的影响机理尚不清楚。虽然大量的研究做了定性探索，但量化有机物对胶体迁移的影响以及模拟预测胶体在有机物存在的环境中的迁移过程尚未实现。难点在于有机物种类繁多、各组分尺寸、形貌、表面官能团类型及分布不同、且形态不固定。由于有机物的复杂性，虽然胶体迁移模型早已开发，但至今尚未实现胶体在有机物存系统中迁移的模拟。. 我们通过实验手段与数值模型开发结合，系统研究了四种天然和合成有机物（腐殖酸、牛血清蛋白质、半胱氨酸和乙二胺四乙酸）对胶体颗粒在饱和多孔介质中迁移的影响机理，取得了以下突破性进展：发现并解释了牛血清蛋白引起的胶体沉降单层过滤成熟现象，并开发了数学模型，首次能模拟大肠杆菌在蛋白质层上的沉降迁移过程；解释了腐殖酸造成胶体颗粒阻碍效应增强的原因，并开发了数学模型，首次能模拟腐殖酸和胶体的竞争性沉降过程；发现了乙二胺四乙酸能通过淋洗点位来提高胶体迁移能力的机理，并产生了一套实验与模拟结合的方法，能在地下水场地修复中用于初步估算淋洗剂的用量。此外，首次发现半胱氨酸能置换胶体表面的聚合物，从而控制胶体的迁移机理。由于聚合物是控制大肠杆菌等生物胶体和工程纳米颗粒迁移关键要素之一，这一发现，为解释有机物影响下胶体迁移的机理提供了新的理论支持。本项目中开发的模型和方法，突破了水文地质领域病菌和纳米颗粒等在复杂饱和多孔介质中迁移难以预测的瓶颈，对于地下水保护、污染场地修复和预防地方水致疾病具有重要意义。