第一作者:何蕾
通讯作者:童美萍教授(北京大学)
论文DOI: 10.1016/j.watres.2022.118683
近日,北京大学环境科学与工程学院童美萍教授课题组在Water Research上发表了题为“Freeze-Thaw Cycles Induce
Diverse Bacteria Release Behaviors from Quartz Sand Columns with Different
Water Saturations”的研究论文(DOI:10.1016/j.watres.2022.118683)。该研究发现多孔介质的饱和度会影响细菌在多孔介质中的迁移与释放行为,即随着饱和度降低,细菌在多孔介质中的迁移能力减弱,并且在使用低离子强度盐溶液冲洗的情况下,细菌在多孔介质中的释放量也随之减少。研究进一步探究了细菌与多孔介质共同经历冻融循环后在多孔介质中的释放行为,发现随着冻融循环的次数增加,使用同离子强度的盐溶液冲洗石英砂柱时细菌的释放量增加。研究表明背景盐溶液冲洗的条件下,冻融循环过程会增加高饱和度多孔介质中细菌释放,从而增加细菌的环境风险。环境中的细菌会受到由昼夜交替和季节变化引起的冻融循环过程的影响。然而目前对冻融循环过程如何影响细菌在多孔介质中的释放过程的认识仍十分有限。本研究探究了细菌在不同饱和度石英砂柱中的迁移与释放行为,并在此基础上进一步探究了细菌与多孔介质共同经历冻融循环后的释放行为。研究发现随着饱和度降低,细菌在石英砂中的迁移与释放行为(低离子强度盐溶液冲洗)同时受到抑制。机理分析表明阻塞作用与毛细作用力促进了不饱和石英砂柱中细菌的沉积。而细菌在第二极小值处的沉积量减少则是不饱和石英砂柱中细菌释放受到抑制的原因。此外,研究发现冻融循环过程增加了背景盐溶液冲洗过程中饱和度较高(100%和90%)石英砂柱中细菌的释放,而对饱和度较低(60%)的石英砂柱中细菌的释放无显著影响。细菌粒径的减小、鞭毛的脱落、尤其冻融循环过程中水-冰相互转化的物理过程是导致高饱和度石英砂柱中细菌释放的主要原因。寒冷的高纬度和高海拔地区会发生冻融循环这一重要的全球性物理过程。全球约有23%的地区会经历由季节变化和昼夜交替导致的周期性冻融。这些地区环境介质中存在的微生物不可避免地会受到冻融循环过程的影响。已有研究表明,冻融循环过程会影响微生物的表面电位、粒径、表面亲疏水性、细胞膜组分和鞭毛完整度(Asadishad et al.,
2013; Asadishad et al., 2014; Hakimzadeh et al., 2018; Rocard et al., 2018)。可以预见,冻融循环由此会影响微生物在环境介质中的释放过程。因此,本研究以大肠杆菌(E.
coli MG1655)为模式微生物,以饱和度为100%、90%和60%石英砂介质为代表性多孔介质,以100 mM NaCl为代表性的溶液环境,并将于-15 ℃冷冻24 h,而后于15 ℃融化24 h定义为一次冻融循环(共48 h),探究了以下两方面的内容:(1)不同饱和度的石英砂介质中,细菌的迁移与释放行为;(2)细菌与不同饱和度石英砂介质共同经历1和3次冻融循环后的释放行为。研究采用了传统的柱实验、QCM-D系统及可视化平板系统对冻融循环影响细菌的释放机制进行了深入的探究。
研究发现随着多孔介质饱和度的降低,细菌穿透曲线的平台期逐渐下降,而截留曲线逐渐升高(图1)。此实验结果表明饱和度降低,抑制细菌在多孔介质中的迁移,而促进其沉积。此外,研究发现当使用低离子强度盐溶液(0.1 mM NaCl)冲洗(图1,13-18
PVs)不同饱和度的石英砂柱时,均会释放部分细菌。相应地,使用低离子强度盐溶液冲洗不同饱和度的石英砂柱后获得的截留曲线,则低于未经过冲洗的石英砂柱中细菌的截留曲线(图1,右)。此外,研究发现在低离子强度的盐溶液冲洗的条件下,随着饱和度的降低,细菌在多孔介质中的释放量逐渐下降。此实验结果说明饱和度与细菌在多孔介质中的迁移与释放行为均高度相关。降低饱和度不仅可以抑制细菌在多孔介质的迁移,也同时抑制细菌在其中的释放。进一步的机理探究发现,降低多孔介质的饱和度会通过阻塞作用与毛细作用力,进而增加细菌在多孔介质中的沉积。以往的研究表明,低离子强度的盐溶液会使得沉积于第二极小值处的细菌再次释放。相比于饱和的多孔介质,细菌在不饱和多孔介质中沉积位点更多,其沉积于第二极小值处的可能性减少。因此,在低离子强度盐溶液冲洗的条件下,随着饱和度的降低,细菌的释放量逐渐减少。Figure 1 Breakthrough
curves (left) and retained profiles (right) of E. coli MG1655 in 100 mM NaCl solutions
in quartz sand columns with 100% (a and b), 90% (c and d) and 60% (e and f)
water saturations without (circle) and with (triangle) low IS (0.1 mM) NaCl
solution elution. Error bars represent standard deviations from replicate
experiments (n≥3).
图1 无/有低离子强度盐溶液冲洗条件下,E. coli MG1655在不同饱和度石英砂柱中的穿透曲线与截留曲线。为了探究细菌与不同饱和度多孔介质共同经历冻融循环后的释放行为,在细菌的迁移实验(通入3 PVs的细菌悬浮液和5 PV 100 mM NaCl溶液,阶段1)完成后,将沉积有细菌的石英砂柱进行1次或3次的冻融循环处理,接着通入5 PV 100 mM NaCl(与背景盐溶液离子强度相同)冲洗石英砂柱(阶段2),最后通入5 PVs低离子强度(0.1 mM NaCl)的盐溶液再次冲洗石英砂柱(阶段3)。研究发现,在石英砂柱的饱和度较高(100%和90%)的情况下,相较于未经过冻融循环处理的石英砂柱,细菌与石英砂共同经历冻融循环后的释放曲线(阶段2,使用5 PVs 100 mM NaCl溶液冲洗)较高(图2b和e)。并且随着冻融循环处理的次数从1次增加到3次,细菌的释放曲线也逐渐升高。而对于石英砂柱的饱和度较低(60%)的情况,冻融循环处理前后细菌在石英砂中的释放曲线(阶段2)无显著差别(图2h)。此现象说明冻融循环处理对沉积于饱和度较低(60%)石英砂柱中细菌的释放无显著影响。Figure 2 Breakthrough curves of E. coli MG1655
(injecting 3 PVs bacteria suspension and 5 PVs 100 mM NaCl solution) before
Freeze-Thaw (FT) treatment during Phase 1 and release curves of retained
bacteria from 100% (a), 90% (d) and 60% (g) saturated quartz sand columns both
without (circle) and with 1 (square) and 3 (triangle) FT treatment cycles
during Phase 2 (flushing by 5 PVs 100 mM NaCl solution) and Phase 3 (flushing
by 5 PVs 0.1 mM NaCl solution). Phase 2 in Figure (a), (d), and (g) were
enlarged as Figure (b), (e), and (h), respectively, while Phase 3 in Figure
(a), (d), and (g) were enlarged as Figure (c), (f), and (i), respectively.
Error bars represent standard deviations from replicate experiments (n≥3).
图2 E. coli MG1655与不同饱和度的多孔介质共同经历冻融循环后的释放曲线
而阶段3(5 PVs 0.1 mM
NaCl溶液)中,细菌在不同饱和度的石英砂柱中的释放曲线不同于阶段2。在饱和度较高(100%和90%)的石英砂柱中,相较于未经过冻融循环处理的石英砂柱,细菌与石英砂共同经历冻融循环后在阶段3的释放曲线较低(图2c和f)。并且增加冻融循环处理的次数会抑制阶段3中细菌在石英砂柱中的释放。此现象说明在饱和度较高(100%和90%)的石英砂柱中,冻融循环过程减少了细菌在第二极小值处的沉积。但对于饱和度较低(60%)的石英砂柱,冻融处理前后细菌在石英砂中的释放曲线无显著变化(图2i),说明冻融循环过程并不影响低饱和度石英砂柱中细菌在第二极小值处的沉积量。以上的实验现象说明,对于饱和度较高(100%和90%)的石英砂柱,冻融循环过程不仅影响通过背景离子强度的盐溶液冲洗石英砂柱而释放的细菌量,而且会影响通过低离子强度盐溶液冲洗而释放的细菌量。但对于饱和度较低(60%)的石英砂柱,冻融循环过程不影响通过背景/低离子强度盐溶液冲洗过程中细菌在石英砂中的释放量。以往的研究表明冻融循环过程会改变细菌的表面电位、粒径和亲疏水性,从而影响细菌在多孔介质中的迁移/沉积行为。实验发现在100 mM NaCl的溶液条件下,未冻融、冻融处理1次和冻融处理3次后细菌的表面电位无显著变化,不是导致阶段2细菌在石英砂柱中释放增加的原因。而粒径的测定结果显示冻融循环过程显著减小了细菌的粒径,因而可能会影响细菌与石英砂之间的作用力。DLVO的计算结果表明,经过冻融循环处理后细菌与石英砂之间的排斥力增加,理论上支持阶段2细菌在石英砂中释放增加的现象。但DLVO的计算结果无法解释随着冻融循环次数增加,细菌在石英砂中的释放增加的现象。因此需要探究是否存在其他机理促进了阶段2细菌在石英砂中的释放。实验测定得到未冻融、冻融处理1次和冻融处理3次后细菌与水的接触角分别为17.4°、20.5°和22.8°,说明随着冻融循环次数的增加,细菌表面的疏水性增加。可以推测得到,冻融循环次数增加细菌与石英砂之间的疏水作用力增加,更有利于细菌的黏附。显然,阶段2中细菌在石英砂(饱和度为100%和90%)中释放增加并不是由细菌表面疏水性变化导致的。与以往的研究一致,本研究中同样观察到冻融循环过程导致细菌鞭毛脱落的现象(图3)。为了验证鞭毛的脱落是否影响细菌在石英砂中的迁移过程,实验通过基因改性技术获得了无鞭毛的细菌菌株(E.
coli MG1655 ΔfliC)。对比图4和图1可以发现,未经过冻融循环处理时,无鞭毛细菌在饱和石英砂中的穿透曲线显著高于有鞭毛细菌,说明鞭毛有助于细菌在石英砂表面的黏附。此实验结果与QCM-D系统中得到的结果一致。此外,基于阶段1细菌沉积于石英砂表面的数量,可以得出经过冻融循环处理1次或3次后无鞭毛细菌在阶段2的释放量均高于有鞭毛细菌。此实验结果说明冻融循环条件下,相较于有鞭毛的细菌,无鞭毛细菌更容易从石英砂柱中释放。因此,鞭毛的脱落可能是阶段2细菌在饱和度为100%和90%的石英砂柱中释放增加的原因。但是随着冻融循环次数的增加,无鞭毛细菌在饱和石英砂柱中的释放量也逐渐增加(图4b),因此除鞭毛脱落外,还有其他机理促进了冻融循环处理后阶段2细菌的释放。Figure 3 SEM images of E. coli MG1655 without (a) and with 1
(b) and 3 FT (c) treatment cycles, as well as detached flagella of E. coli MG1655after 3 FT treatment cycles (d).
图3 冻融循环过程导致E. coli MG1655的鞭毛掉落
Figure 4 Breakthrough
curves of E. coli MG1655 ΔfliC without
flagella (injecting 3 PVs bacteria suspension and 5 PVs 100 mM NaCl solution)
before Freeze-Thaw (FT) treatment during Phase 1 and release curves of retained
bacteria from 100% saturated quartz sand columns both without (circle) and with
1 (square) and 3 (triangle) FT treatment cycles during Phase 2 (flushing by 5
PVs 100 mM NaCl solution) and Phase 3 (flushing by 5 PVs 0.1 mM NaCl solution) (a).
Phase 2 in Figure (a) were enlarged as Figure (b), while Phase 3 in Figure (a)
were enlarged as Figure (c). Error bars represent standard deviations from
replicate experiments (n≥3).图4 E. coliMG1655 ΔfliC与多孔介质共同经历冻融循环后的释放曲线
QCM-D系统的实验结果显示随着冻融循环次数的增加,细菌在二氧化硅芯片表面的沉积速率增加(图5a)。此外随着冻融循环次数的增加,细菌与二氧化硅表面形成膜的刚性随之增加(图5b)。此实验结果说明,虽然在冻融循环处理后细菌粒径减小、鞭毛丢失,但是细菌与二氧化硅芯片之间的黏附仍然随着冻融循环的次数不断增加。因此,由冻融循环处理引起的细菌表面性质的改变不是阶段2细菌在石英砂介质(100%和90%)中释放增加的主要原因。Figure 5 Deposition
efficiency of E. coli MG1655 without
and with exposure to Freeze-Thaw (FT) treatment cycles in 100 mM NaCl solutions
(a); variations in dissipation as a function of frequency shifts of bacteria
without and with 1 and 3 FT treatment cycles in QCM-D in 100 mM NaCl solutions
(b). * represents p < 0.05 by two-tail t-test.
图5未经过与经过冻融循环处理的E.
coli MG1655在QCM-D系统中的沉积
由于冰的密度比水的密度小10%,因此冰比水占据的体积更大。在冻融循环过程中会发生冰-水相互转化的物理过程,可能会改变局部石英砂的排列位置,导致细菌在石英砂中的释放增加。实验选取1 μm(与细菌粒径基本一致)聚苯乙烯荧光小球作为模式胶体,在可视化的平板系统里直接观察冻融循环过程中,沉积于石英砂表面模式胶体的释放。实验结果显示融化过程中石英砂砾的位置会有微小的变化,导致了部分由于阻塞作用沉积于介质与介质接触点处胶体的释放(图6a和b)。此外,一些沉积于石英砂表面相对平坦区域的胶体,可能会在融化过程中滑落到孔隙中(图6c和d)。由于增加冻融循环次数会进一步导致沉积于介质与介质接触点与平坦区域处的细菌释放的几率增加,因此阶段2中细菌在石英砂中的释放量随冻融循环的次数而增加。
Figure 6 Representative images of original deposition sites (a,
c, and e) and final deposition sites (b, d, and f) of modal colloid during
thawing process in visible flow chamber system.
图6 模式胶体在冻融循环过程中沉积位点的变化
冻融循环过程同样会影响沉积于第二极小值处的细菌。一部分沉积于第二极小值处的细菌会在阶段2中释放,因此沉积于石英砂表面的细菌总量会减少,进而影响阶段3中细菌的释放。部分脱落的细菌,会被截留在石英砂表面的不可逆的吸附位点(石英砂表面的裂隙)(图6e和f),进而减少了细菌在第二极小值处的沉积。此外,实验发现冻融循环处理后,石英砂柱中存在细菌的团聚体。但由于团聚体的粒径较大,即使有部分细菌团聚体滑落到孔隙中,仍然很有可能在冲洗的过程中被截留于石英砂介质形成的狭窄孔道处。因此,随着冻融循环处理次数的增加,沉积于第二极小值处细菌的量减少,进而在饱和度较高的石英砂柱中观察到阶段3石英砂中细菌的释放减少。而在饱和度较低(60%)的石英砂柱中,冰只能占据约70%的孔隙体积。因此相较于饱和度较高(100%和90%)的石英砂柱,沉积于饱和度较低的石英砂柱中的细菌被冰挤压的几率减少,从而导致冻融循环过程对阶段2和3细菌在石英砂中的释放无显著影响。上述的结果说明冻融循环的物理过程是影响不同饱和度石英砂柱中细菌释放过程的主要原因。本研究发现随着饱和度降低,细菌在石英砂中的迁移与释放行为(低离子强度盐溶液冲洗)同时受到抑制。机理分析表明阻塞作用与毛细作用力增加了不饱和石英砂柱中细菌的沉积。而不饱和石英砂柱中细菌在第二极小值处的沉积量减少则是细菌释放受到抑制的原因。此外,研究发现冻融循环过程增加了背景盐溶液冲洗过程中饱和度较高(100%和90%)的石英砂柱中细菌的释放,而对饱和度较低(60%)的石英砂柱中细菌的释放无显著影响。细菌粒径的减小、鞭毛的脱落、尤其冻融循环过程中水-冰相互转化的物理过程是导致高饱和石英砂柱中细菌释放的主要原因。研究表明背景溶液冲洗时冻融循环过程会增加细菌从高饱和度的多孔介质中释放的风险。
童美萍 博士,北京大学博雅特聘教授、博士生导师。主要研究方向为土壤-地下水污染控制与修复,具体开展关键带土壤-地下水中胶体(微生物、纳/微塑料、纳米颗粒、大分子)的迁移机制研究及水-土污染物(重金属、有机污染物与微生物)高效去除技术的研发工作。共发表SCI论文100余篇(Environmental Science and Technology及Water Research上发表第一/通讯作者论文34篇)。曾获得包括国家自然科学基金杰出青年基金项目(2020年)与优秀青年科学基金项目(2014年)在内多项国家自然科学基金项目支持,并获得北京市首届杰出青年基金项目支持(2018年)。担任Journal of Hazardous Materials副主编、《中国科学:技术科学》等国内外期刊的编委。备注:
Permissions for reuse of all Figures have been
obtained from the original publisher. Copyright 2022, Elsevier Inc.
参考文献:
He, L., Li, M., Wu, D., Guo, J., Zhang, M. and Tong,
M. (2022) Freeze-thaw cycles induce diverse bacteria release behaviors from
quartz sand columns with different water saturations. Water Research 221,
118683
文章链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422006364
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