来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2021/5/21 15:32:41
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FESE|不同水源条件下再生水中大肠杆菌在地下环境中的迁移机制

论文标题:Transport of bacterial cell (E. coli) from different recharge water resources in porous media during simulated artificial groundwater recharge (不同水源条件下再生水中大肠杆菌在地下环境中的迁移机制)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Wei Fan (范伟), Qi Li(李奇), Mingxin Huo (霍明昕), Xiaoyu Wang (王小雨), Shanshan Lin (林山杉)

发表时间:

DOI:10.1007/s11783-020-1242-0

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编者荐语:

前沿系列之《环境科学与工程前沿》科研进展荐读。

原文信息

题目:

Transport of bacterial cell (E. coli) from different recharge water resources in porous media during simulated artificial groundwater recharge

作者单位:

School of Environment, Northeast Normal University, Changchun 130117, China

关键词:

Artificial groundwater recharge (地下水); E.coli (大肠杆菌); Transport (迁移); Simulated column experiments (模拟柱实验); Modeling (模型)

文章亮点

• 地表入渗池驻留(及管网输配)过程改变了细菌表面特征。

• 细菌表面特征及水化学条件共同影响了其在多孔介质中的迁移沉积行为。

• 不同回灌水源中大肠杆菌在地下环境呈现不同的迁移扩散能力。

图1 文章摘要图

文章简介

当前,水资源的再生与利用已成为全球应对水资源危机的重要策略。雨洪水、天然地表水、污水厂出水等常规/非常规水资源通过管网输配、引流入渗等途径再次进入天然/社会水循环系统,以生态补水、农业灌溉、景观绿化、地下回灌储存等方式得到再利用,极大缓解了缺水地区的水均衡压力。

在上述各种再生水利用方式中,不同源水(或经过再生处理)回灌储存于地下含水层中,是全球倍受关注的水回用途径。我国北方干旱半干旱缺水地区逾90%人口的供水依赖地下水的开采,全国范围内形成地下水超采区400多个,总面积达到62万km2,补给涵养地下含水层以避免次生环境地质问题迫在眉睫。与此同时,我国水资源再生利用率总体不足10%,再生利用总量仅约占全国总供水量的0.75%,不足美国的9%。按照《国家节水行动方案》、《水污染防治行动计划》及《关于推进污水资源化利用的指导意见》等国家战略要求,到2025年,全国地级及以上缺水城市再生水利用率需达到25%以上。这意味着我国需要开辟大规模的再生水循环利用途径、消解新增的大量再生水,并改变过去“即排即用”单线条的再生利用模式,探索具有“动态调蓄/缓冲”功能的新途径。结合上述两方面,将各类常规/非常规水源基于特定的水质标准进行处理,采用适宜的工程技术将其回灌储存于地下空间,满足保障后续用水安全的水量和水质需求,可同步解决地下水和再生水两方面的问题,成为契合新时期水资源和环境保护国家重大需求的前沿和热点。东北师范大学霍明昕教授课题组长期致力于再生水地下储存方向的研究,针对再生水地下储存的水质安全保障技术及其过程调控取得了系列成果。

再生水中的病原微生物可能随流进入地下水(人居)环境中并引发健康风险,定量解析其在环境复合介质中的迁移行为、评估其扩散风险因而成为再生水领域关注的焦点问题。本研究依托再生水地下回灌储存背景,以大肠杆菌E.coli 为模式微生物,以雨洪水、天然地表水、污水厂出水为回灌水源,从生物胶体在饱和多孔介质中的迁移沉积机理出发,考虑“地表入渗池驻留-地下多孔介质渗流”两阶段,研究管网输配/地表入渗池驻留过程对大肠杆菌表面性质的改变,以及这种改变对E.coli后续在地下环境迁移沉积的影响。

本研究从有机物含量与结构、无机离子类型及离子强度等方面对不同水源进行了分析;通过细菌形貌、Zeta电位、亲疏水性、胞外聚合物组成与含量等揭示了不同水源环境中E.coli 表面特征的响应;采用XDLVO理论与模型对不同条件下细菌与多孔介质颗粒之间的相互作用强度进行定量分析;进而开展一维渗流模拟柱实验,对比分析了不同回灌水源条件下E.coli 的随流穿透曲线及沉积截面分布,并构建饱和多孔介质中生物胶体的对流-弥散-阻滞多相数值模型,对反映E.coli迁移沉积机理的关键参数进行反演,从而定量判别了不同回灌条件下E.coli 的迁移扩散风险水平,为不同水源地下回灌实际工程中病原微生物风险的预测和控制提供了指导依据。

图2 不同回灌水源环境中生存对E.coli表面特征的影响

和正常培养生长状态的E.coli相比,在上述三种回灌源水的体系中,由于寡营养胁迫,E.coli表面电位电负性更强,水动力直径、胞外聚合物EPS含量及表面疏水性降低,细胞外膜蛋白多样性增加。其中,E.coli 水动力直径和疏水性的情景顺序为二级出水>河水>雨水,而表面电位电负性和EPS含量则遵从二级出水<河水<雨水。E.coli在随流迁移过程中,可能由于拦截、重力、水动力、布朗运动等作用与含水介质颗粒发生碰撞接触,尽管E.coli和介质颗粒均为电负性,但由于XDLVO曲线中二级能肼的存在,使得接触后这两类颗粒仍可能发生粘附。从生物胶体性质而言,更小的粒径、更强的电负性、更低的EPS含量和更强的亲水性有利于胶体颗粒的迁移,二级出水更高的离子强度和二价阳离子含量则能够通过架桥和抑制双电层厚度来进一步降低胶体颗粒的运移能力。综合理论分析及柱实验和模型结果发现,对于常见诸地下回灌场地的中砂介质而言,在雨水回灌条件下E.coli仅有2.70%被地层截留,而这一比率在河水和二级出水中分别达到10.38%和16.93%,这三类回灌水源情景下E.coli 多相模型沉积系数分别为0.078,0.146和0.286 min-1。可见,无论采用何种回灌水源,E.coli 均具有较高的地层穿透能力,常见再生水回灌干湿交替周期下、寡营养条件胁迫能够提高E.coli 的迁移能力(增加19-31%),一旦随流进入地下环境,将引起较大距离/范围的污染扩散;对于常见的污水厂出水入河补给地下水情景,河水与雨水比例愈高,E.coli迁移扩散风险越大。

图3 不同回灌水源条件下E.coli 在饱和多孔介质中的迁移沉积特征(a)穿透曲线;(b)截留曲线

编者点评

再生水地下储存在水资源可持续回用、防止海水入侵、回补地下含水层等方面具有重要的意义。然而,病原微生物随流迁移扩散是这一新兴领域面临的重大挑战。本研究以大肠杆菌为模式生物,评估了不同回灌水源条件下,地表入渗池滞留-地下随流迁移过程中,E.coli特征对不同水源环境的胁迫响应,以及这些响应对后续在地层中迁移能力的影响。论文最终定量揭示了不同水源E.coli回灌过程中在多孔介质内的迁移沉积特征,为评估不同水源地下回灌储存工程的微生物风险提供了依据。

摘要:Commonly used recharge water resources for artificial groundwater recharge (AGR) such as secondary effluent (SE), river water and rainfall, are all oligotrophic, with low ionic strengths and different cationic compositions. The dwelling process in recharge pond imposed physiologic stress on Escherichia coli (E. coli) cells, in all three types of investigated recharge water resources and the cultivation of E. coli under varying recharge water conditions, induced changes in cell properties. During adaptation to the recharge water environment, the zeta potential of cells became more negative, the hydrodynamic diameters, extracellular polymeric substances content and surface hydrophobicity decreased, while the cellular outer membrane protein profiles became more diverse. The mobility of cells altered in accordance with changes in these cell properties. The E. coli cells in rainfall recharge water displayed the highest mobility (least retention), followed by cells in river water and finally SE cells, which had the lowest mobility. Simulated column experiments and quantitative modeling confirmed that the cellular properties, driven by the physiologic state of cells in different recharge water matrices and the solution chemistry, exerted synergistic effects on cell transport behavior. The findings of this study contribute to an improved understanding of E. coli transport in actual AGR scenarios and prediction of spreading risk in different recharge water sources.

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