生物絮凝泥沙的絮凝结构实验分析.pdf

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1、泥沙研究2014年12月JournalofSedimentReseareh第6期生物絮凝泥沙的絮凝结构实验分析赵慧明，汤立群，王崇浩一，郭传胜，(1．中国水利水电科学研究院，北京100008；2．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100048：3．清华大学水利系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：泥沙絮凝是黏性泥沙动力学中的一个重要课题，相关的研究主要关注于各种有机絮凝和无机絮凝的形成机理、影响因素、泥沙物理化学条件等方面。但近几十年，泥沙的生物絮凝逐渐引起更多的关注，大多数研究

2、集中在各种生物学因子和沉积学因子之间的相互关系。本文借助于最新发展的研究工具和相关的显微镜方法来桥连生物絮凝泥沙中泥沙颗粒和微生物活动及其代谢产物生物膜之间的关系，以利于更好地理解聚合物质生物膜在微絮凝结构及其外部絮凝行为中的作用。研究表明，生物絮凝泥沙包含了复杂的生物膜网络，呈现出复杂的絮凝结构。生物膜覆盖泥沙表面充斥于颗粒孔隙之中，在生物絮凝中起到主要的桥连作用．并对生物絮凝泥沙的表面形貌、结构特征、力学性质等产生重要影响。关键词：生物絮凝泥沙；絮凝结构；生物膜中图分类号：TV141文献标识码：A文章编号：

3、0468—155X(2014)06-0012-07絮凝是自然界中一个不容忽视的现象，在环境、化工、河流泥沙等研究领域受到重视。从宏观角度看，可将其分为有机絮凝、无机絮凝和生物絮凝三大类。生物絮凝不同于一般絮凝，主要是微生物在起作用，作为一种生命活体，它和一般惰性物质有明显区别，是与生命活动相关联的。关于生物絮凝的作用机理先后提出过很多理论，包括电性中和学说、荚膜学说、疏水学说、菌体外纤维素纤丝学说和胞外聚合物架桥学说等⋯。黏性细颗粒泥沙的絮凝问题也是泥沙运动理论研究中一个重要而复杂的课题，目前相关的研究主要集中

4、在各种有机絮凝和无机絮凝的形成机理、影响因素、结构特征等方面。而“生物絮凝”的概念大多应用于环境、化工、生物等领域，关于泥沙的生物絮凝现象研究尚少，涉及到的研究一般是从宏观角度出发，研究微生物活动与泥沙沉积物的物理、化学及力学特性等的相互影响关系，目前大多限于野外采样和数据提取，通过一些比较直接的相关分析等寻找相应因素之间的联系]，但大部分为定性说明，尚未建立较为完整的理论体系，相关空白有待于进一步研究。为准确了解生物絮凝泥沙的形成机理及结构特征等，首先应将水体环境中生物絮凝泥沙的微观形貌可视化并对其絮凝结构进

5、行分析，从而可为进一步的相关研究奠定基础。生物絮凝泥沙本身泥沙颗粒尺度较小，为微米量级，且颗粒表面及颗粒之间均存在微生物代谢活动所产生的有机物质生物膜(主体成分为胞外聚合物)，其85％～90％的主要成分为水分。因此，要兼顾泥沙和微生物及其代谢产物两者的特点，采用适当的仪器设备对生物絮凝泥沙进行原样观测，不能对其进行烘干、镀炭等处理。本文利用环境扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对生物絮凝泥沙的絮凝结构进行观测，对其内部微观环境及外部行为特征获得了较为直观的认识，并揭示了微生物活动及其代谢产物在生物絮凝泥沙的结构特

6、征及黏连特性中所发挥的巨大作用，这将有助于提高对自然界中生物絮凝泥沙动力学及其环境作用的认识。收稿日期：2014-05-05基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAB12B04)；清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金资助课题(sklhse一2014一B一01)；中国水利水电科学研究院科研专项(SEO145BI32014)；国家自然科学基金项目(51109113)作者简介：赵慧明(1982一)，女，山东省文登市人，高级工程师，博士，主要从事水力学及河流动力学方丽研究。E—mail：zhao

7、huimingo45@163．c0m121实验方法1．1生物絮凝泥沙培养实验直接从天然水域中采集生物絮凝泥沙样品往往误差很大，因为在不改变或干扰它们原始特征的情况下较难对天然环境中的絮凝泥沙进行原样观测，且自然条件下难以观察其整个变化过程，因此本文拟采用一定的模拟环境将生物絮凝泥沙的形成过程在实验室中通过实验的方法实现。实验用沙取自北京市官厅水库库区底泥，取样后经过清洗、烘干并用400号筛去除杂质与较粗粒径的泥沙。经分析官厅泥沙样品的主要成分为石英和长石，约占40％，其次是绿泥石和伊利石(均为黏土矿物)，略低于

8、40％，还含有少量方解石和白云石，以及极少量的闪石存在。实验用水取自清华大学荷塘，夏季(8月份)菌落总数为28600个／ml，冬季(12月份)菌落总数为15800个／ml。水体营养物浓度是影响生物膜生长的一个重要因素，由清华大学分析中心对荷塘水体的基本水质情况进行测定，结果见表1(测试时间为12月份)，测试结果表明实验水样的营养度稍显偏低。为维持微生物的最佳活性，根据各种微生物的营养需