细菌与金属氧化物纳米颗粒在多孔介质中的共迁移研究

Bacteria and nanoparticles transport in porous media is an important topic in situ remediation of pollutants in groundwater and soils. However, currently, there is a knowledge gap in understanding the mechanisms of the cotransport of bacteria and metal oxide based nanoparticles in porous media. In this project, three bacterial strains with different cell physicochemical characteristics and a typical metal oxide based nanoparticle-TiO2 will be used to study the cotransport behavior in three porous media with different pore size distributions, especially to investigate the effect of different environmental factors (such as flow velocity, ionic strength, the presence of surfactants, water saturation...) on the cotransport of bacteria and nanoparticles and to explore the deposition mechanisms of bacteria and TiO2 at the “liquid-air-solid” triple phases. The two site kinetic model and DLVO theory will be used to assess comprehensively the transport ability of the bacteria and TiO2 and their risks to groundwater. On the basis of this, the confocal microscope will be used to investigate the cotransport behavior of bacteria and TiO2 in the microfluidic devices at pore scale, which could further identify the mechanisms of the cotransport obtained at column scale. The completion of the project will provide reliable scientific basis for environment and safety risk assessment of bacteria and nanoparticles.

细菌和纳米颗粒在多孔介质中的迁移行为是土壤与地下水污染修复研究的重要课题，然而目前细菌与金属氧化物纳米颗粒共迁移行为机制尚不明确。本项目拟以环境中常见的三种不同表面性质的细菌（大肠杆菌、克雷伯氏菌和红球菌）和典型金属氧化物TiO2为对象，研究不同表面性质的细菌和TiO2在不同多孔介质中的共迁移行为，同时特别关注二者在不同环境因素（流速、离子强度、表面活性剂、水分饱和度等）下的共迁移特性，详细探讨细菌和TiO2在液-气-固三相界面的作用机制，应用两点动力学模型和DLVO理论综合评估二者在多孔介质中的迁移能力及其对地下水的风险。在上述研究基础上，本项目拟采用共聚焦显微镜研究细菌和TiO2在自制的微模型中的共迁移行为，进一步验证实验室宏观条件下二者共迁移行为机制，该项目的完成将为微生物和纳米材料环境安全风险评价提供可靠的科学依据。

大肠杆菌等生物胶体和金属氧化物纳米二氧化钛在地下水系统中具有一定的迁移能力，它们可能进入饮水井对饮用水造成威胁。虽然有关细菌在多孔介质中迁移和沉积的研究较多，但主要集中在对单一细菌的迁移过程中，而真实地下环境中存在各种胶体物质，金属氧化物纳米颗粒的介入直接影响细菌在多孔介质中的迁移和沉积。因此，细菌与金属氧化物纳米颗粒共迁移行为机制尚不明确。.我们通过实验手段和数值模型相结合，系统研究了不同环境因素（流速、离子强度、表面活性剂、水分饱和度、土工布类型等）下细菌和纳米二氧化钛（共）迁移特性，详细探讨了细菌的表面性质（如表面电势、疏水性、有无鞭毛等）和金属纳米颗粒在多孔介质中的（共）迁移和沉积行为，揭示了细菌和纳米二氧化钛在液-气-固三相界面的作用机制，应用两点动力学模型和DLVO理论综合评估了二者在多孔介质中的迁移能力，并采用可视化微模型进一步验证了实验室宏观柱实验条件下二者（共）迁移行为机制。项目按照研究计划执行，实验已基本按原计划完成，后续的工作仍然在进行之中，取得了以下突破性进展：首次研究了不同土工布类型对柱实验中细菌迁移行为的影响，发现土工布在不同的多孔介质中对细菌具有阻碍或促进效应，这取决于土工布的表观开孔尺寸、密度以及孔隙率等大小，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土工布有效截流胶体的能力，对地下水保护、污染场地修复和预防地方水致疾病具有重要意义。此外，首次采用可视化微模型这一新技术，研究优先流对细菌等胶体在孔隙中的沉积和分布规律，为胶体在有优先流的孔隙介质中的沉积提供了新方法，为解释优先流影响下胶体迁移的机理提供了新的理论支持。