[发明专利]一种基于趋能运动性能预测电化学活性菌在氧化还原活性多孔介质中迁移行为的方法

说明书

本发明提供了一种基于趋能运动性能预测电化学活性菌在氧化还原活性多孔介质中迁移行为的方法。该预测方法包括电化学活性菌在饱和多孔介质中的迁移；迁移模型反演计算扩散系数；利用毛细管法和群集运动平板法计算趋能运动指数；建立扩散系数与趋能运动指数的线性相关关系。该方法成本低廉、操作简便，能够准确预测以扩散系数为指标的电化学活性菌迁移行为，利于在与电化学活性菌迁移行为相关的地下水污染修复及饮用水净化等过程中推广应用。

技术领域

本发明涉及细菌细胞在多孔介质中的迁移和分布行为，具体一种基于趋能运动性能预测电化学活性菌在氧化还原活性多孔介质中迁移行为的方法。

背景技术

在土壤和过滤砂柱等多孔介质环境中，微生物细胞会随降水、地下水及进水等对流和扩散水动力过程进行迁移。细菌在土壤中的迁移行为对于农业、工业、环保、给水处理以及水资源保护等具有重要影响。例如，在投加外源电化学活性细菌进行污染生物修复的过程中，细胞迁移能力下降所导致的滞留可能影响生物强化的效果。此外，致病菌通过地下水传播可导致水源地污染和水传疾病的爆发。因此，准确预测和分析细菌在地下水等多孔介质中的迁移行为十分必要。

污染生物修复效果除了与细菌本身的降解转化能力有关之外，还依赖于污染物的生物可利用性。细菌细胞能通过趋向运动感知并主动向污染物等化学效应物移动，提高污染物的生物可利用性。Ford R M等人在2007年Advances in Water Resources第30卷1608-1617页、Wang M等人在2009年Environmental Science and Technology第43卷5921-5927页指出，氯代烃类降解菌在多孔介质中迁移时，受到萘等可溶性底物浓度梯度的化学刺激后能够产生趋化运动。氯代烃类降解菌细胞的泳动速率与地下水流速相当，细胞的趋化运动能够使其沿着与水流不同的方向进行迁移，促进了细胞在多孔介质中向各个方向的扩散。Adadevoh J S T等人在2018年Environmental Science and Technology第52卷7289-7295页、Adadevoh J S T等人在2015年Environmental Science and Technology第50卷181-187页进一步分析胶体迁移模型反演结果发现，细胞的趋化运动越强，其在介质中的扩散系数越高；细胞的扩散增加了其在介质中的停留时间，有利于于细胞附着沉积在介质表面，导致出水细胞比例降低了40％左右。

不同于一般意义上的细菌趋化运动，电化学活性菌具有独特的趋能运动活性，即通过其直接或间接胞外电子传递能力，在不依赖效应物浓度梯度的条件下感受不溶性电子受体的存在并向其聚集和定向运动。Harris H W等人在2018年Frontiers inMicrobiology第8卷2568篇、Li R等人在2012年Environmental Science and Technology第46卷2813-2820页指出，铁/锰矿物、天然有机质及多种污染物等能够作为电化学活性菌的胞外电子受体和不溶性趋能运动效应物，极大地影响细胞在地下环境中的迁移分布。申请人前期研究发现，电化学活性菌的趋能运动与不溶性趋能运动效应物的种类、浓度及电化学活性菌自身的胞外电子传递能力有关。电化学活性菌的趋能运动越强，其在含不溶性电子受体的氧化还原活性介质中的迁移能力越弱。此外，可溶介体物质能够通过介导电化学活性菌的胞外电子传递，进一步促进电化学活性菌细胞的趋能运动，从而更大程度地抑制其在氧化还原活性介质中的迁移。通过胶体迁移模型反演发现，电化学活性菌的趋能运动指数与其迁移行为的扩散系数呈线性正相关关系。

基于以上分析，提出利用电化学活性菌向不溶性胞外电子受体的趋能运动指数预测其在含相应不溶电子受体多孔介质中的迁移行为。该方法操作简便且成本低廉，能够准确评估电化学活性菌在不同环境介质和水化学条件下的迁移行为。

发明内容

本发明提供一种基于电化学活性菌趋能运动性能预测其在氧化还原活性多孔介质中迁移行为的简便方法，目的在于评估电化学活性菌在氧化还原活性多孔介质中的迁移分布情况，为环境污染修复和水质净化等领域的相关应用提供参考。