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目前,细菌表面胞外多聚物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)对细菌在多孔介质中迁移行为的作用已经受到国内外学者广泛关注,但相关研究人员对其所持学术观点存在严重分歧(EPS促进或抑制细菌在多孔介质中迁移),本论文采用具有EPS分泌能力的四种原生细菌和用阳离子交换树脂(Cation exchange resin,CER)法剥除EPS的同种细菌进行迁移行为比较,以期深入了解胞外多聚物对细菌在多孔介质中迁移影响的作用规律。
本论文选取四种在自然环境中广泛存在且具有典型代表性的细菌作为研究对象:大肠杆菌Escherichia coli BL21(革兰氏阴性菌,无鞭毛)、假单胞菌Pseudomonas sp.QG6(革兰氏阴性菌,有鞭毛)、红球菌Rhodococcus sp.QL2(革兰氏阳性菌,无鞭毛)、枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis(革兰氏阳性菌,有鞭毛),采用石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance Dissipation,QCMD)(理想化的石英晶片表面)和柱子系统(多孔介质)从微观与宏观角度综合研究EPS对细菌在多孔介质中迁移行为的影响规律。
首先,测量NaCl和CaCl2溶液中上述四种细菌(原生细菌和CER方法处理后的细菌)的zeta电位表明,原生细菌和CER方法处理后的同种细菌的zeta电位值相近。对EPS溶液进行生化组分分析和傅立叶红外光谱分析,证实CER方法能够成功剥除EPS。以上结论综合表明EPS的存在对细菌表面电势没有重大影响。
其次,采用QCMD和柱子系统进行粘附实验,以期揭示EPS对细菌在地下水环境中迁移的影响规律。通过QCMD实验研究表明:在NaCl和CaCl2溶液(限于本研究所涉及的溶液离子强度范围内)中,原生细菌的粘附效率大于剥除EPS的细菌的粘附效率,由此推断,EPS能够促进细菌粘附到二氧化硅表面。这个结论适用于本研究采用的四种细菌(细菌特征和鞭毛特性各异)。在NaCl和CaCl2溶液中穿透曲线结果表明,有EPS细菌(四种)的平台期均低于相同实验条件下无EPS的细菌的平台期,表明EPS能够促进细菌在多孔介质表面粘附。该结论与QCMD实验结论吻合。鉴于本研究所采用的四种细菌具有典型代表性,因此此项结论适用于自然环境中的大多数细菌。
为了进一步探究EPS对于细菌滞留曲线的影响,获取柱子实验的滞留曲线进行分析。结果表明,原生细菌和剥除EPS后的细菌滞留曲线都偏离经典过滤理论预测(细菌在柱子内的滞留浓度随着距离增加呈对数线性下降),且后者的偏离程度大于前者。从研究结果中推断:EPS的存在能够增大细菌菌群的非单一性,从而增大滞留曲线对经典过滤理论的偏离。淋洗实验结果显示原生细菌和去除EPS的细菌只有少部分沉降在第二能量陷阱中。当淋洗将沉降在第二能量陷阱中的细菌冲出,滞留曲线的形状没有发生改变,表明沉降在第二能量陷阱中的细菌并非造成滞留曲线偏离经典过滤理论的原因。