第七届青年地学论坛

微生物和胶体颗粒在饱和多孔介质中的运移行为对污染土壤和地下水的原位修复、污水处理及雨水径流管理、饮用与娱乐用水安全和微生物强化采油等具有重要意义。目前，对细胞与非生物胶体颗粒运移行为的研究主要关注水化学和水力学条件的影响，大多依据DLVO理论和物理化学作用阐释运移规律，而对生物活性如何影响胶体颗粒的运移行为所知甚少。在静态培养体系中，典型电活性菌Shewanella oneidensis MR-1具有出色的胞外电子传递(EET)能力，能够基于EET进行自主趋能运动，趋向并附着于不溶性电子受体(IEA)表面进行呼吸。而在地下水等动态饱和多孔介质中，MR-1等电活性菌细胞对生物炭、水铁矿(Fh)和MnO₂等IEA颗粒的EET活性和微观趋能运动如何影响二者的宏观运移行为有待探索。基于不同组成的饱和多孔介质体系开展研究发现：
(1) MR-1细胞和生物炭胶粒在水动力条件下的共运移受二者异团聚作用的抑制，发生熟化作用。未向体系中添加电子供体时，共运移行为主要受DLVO作用力和疏水亲和作用影响。外加电子供体乳酸钠后，MR-1通过EET还原生物炭胶粒提高其疏水性，诱发细胞向生物炭胶粒的趋能运动，促进二者异团聚并发生物理阻塞，降低二者的运移能力。
(2) 当生物炭、Fh和MnO₂等IEA颗粒位于介质相时，提高IEA负载量、添加介体物质以及提高电子供体乳酸钠浓度等均显著降低MR-1细胞的运移能力；而缺失EET和鞭毛运动能力使MR-1的穿透水平提高40%以上。趋能运动实验和运移模型反演结果进一步表明，MR-1能通过EET感知介质相中的IEA并利用鞭毛进行趋能运动，使细胞沿非水流方向扩散，促进细胞在介质表面的附着和沉积。体系中不存在可溶介体物质时细胞运移行为主要受热力学控制，运移能力取决于介质表面还原电位；外加可溶介体物质后细胞运移行为主要受动力学控制，运移能力取决于介质接受电子速率。
(3) 当MR-1生物膜覆盖介质表面时，Fn纳米颗粒(FhNPs)在饱和多孔介质中的运移能力下降；而由EET关键基因缺失突变株所形成的生物膜对FhNPs运移行为的影响较小。MR-1生物膜中参与胞外电子传递的细胞色素c与FhNPs具有较强的亲和力，有利于FhNPs的附着沉积。提高进水中电子供体浓度后，FhNPs的运移能力进一步降低；进水中保持持续稳定的电子供体浓度水平可促进FhNPs长期稳定滞留于介质中。
研究表明，电活性菌对IEA颗粒的EET活性显著影响二者在地下环境等饱和多孔介质中的扩散与沉积，为理解微生物EET活性的环境意义及调控电活性菌和氧化还原活性胶粒的运移和滞留提供了新的思考。
 

希瓦氏菌,运移,饱和多孔介质,胞外电子传递