生物絮凝泥沙的干容重研究.pdf

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1、泥沙研究2010年12月JournalofSedimentResearch第6期生物絮凝泥沙的干容重研究赵慧明，方红卫，尚倩倩(清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：生物絮凝泥沙是指微生物通过生物膜作用在泥沙颗粒上形成的类絮凝结构，是泥沙与环境科学交叉研究中的一类新问题，在泥沙传统理论中涉及较少。本文以官厅水库细颗粒底泥为载体培养生物膜，采用Logistic生长曲线方程描述生物膜随时间生长变化的规律，通过环境扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜观察生物絮凝泥沙的生长过程，并采用图像处理的方

2、法对其结构特性进行分析，最终给出生物絮凝泥沙的干容重计算公式，为泥沙输移计算打下基础。关键词：干容重；生物膜；Logistic生长曲线方程中图分类号：TVl41文献标识码：A文章编号：0468—155X(2010)06-0023—061概述絮凝是自然界中一个不容忽视的现象，从宏观角度可分为有机絮凝、无机絮凝和生物絮凝三大类。粘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¨’2。，目前相关的研究主要集中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，对生物絮凝的研究较少。生物絮凝主要是微生物在起作用，它

3、和一般絮凝有明显区别，是与生命活动相关联的¨-。泥沙干容重是泥沙运动力学研究中一个重要的基本概念，它是认识泥沙基本性质以及进行泥沙运动数值模拟和物理模拟的重要基础，泥沙手册¨1、韩其为"1等对于干净泥沙的干容重进行了系统研究，并给出相应的计算方法。但随着社会经济的快速发展，河流海岸区域受到污染，泥沙颗粒表面和泥沙群体吸附大量的化学物质和生命物质¨。形成生物膜，进而又影响了泥沙运动的物理过程，生物絮凝泥沙是指微生物通过生物膜作用在泥沙颗粒上形成的类絮凝结构，本文采用环境扫描电子显微镜及激光共聚焦显微镜观察实验培养所得的生物絮凝泥沙，并对

4、其物理特性进行了初步分析描述。2实验操作和观测设备2．1生物膜培养实验采用清华大学校内荷塘水作为生物膜培养用水。微生物生长繁殖必须要有各种养料，对于好氧微生物，BOD与N、P养料的比例一般为100：5：1。本实验的营养液配制方案参考了吴志超等人在进行以沸石颗粒为载体生长生物膜研究中所采用的营养液组成并进行了一定的修正，具体配置见表1"]。取69沙样，配以营养水样1L，曝气，每天排上清液500ml，后续加营养水样500ml。定期观察泥沙颗粒生长生物膜后的表面形貌变化。2．2实验观测设备长膜泥沙颗粒试样具有如下特点：①泥沙颗粒本身尺度较小

5、，为微米量级，其表面包裹有生物膜；收稿日期：2010-02-26作者简介：赵慧明(1982一)，女，山东威海人，主要从事水力学及河流动力学研究。23②颗粒之间也有生物膜存在，因此具有一定的粘连结构，但是粒间结构相对比较脆弱；③生物膜85％～95％的主要成分为水分，要对长膜泥沙颗粒进行原样观测，不能对其进行烘干、镀炭等处理。因此，对长膜泥沙的观察要兼顾泥沙和生物膜两者的特点，采用适当的仪器设备。表1营养液配比Table1ConfeCtschemeofnutrientSOlutions(1)环境扫描电子显微镜(ESEM)是近年来发展起来的

6、一种新型扫描电镜，它的两个关键技术使直接观察生物膜包裹的泥沙颗粒成为可能，避免了常规扫描电镜的前处理操作对生物膜结构的破坏，因而可获得长膜泥沙的有真实形貌信息。首先，ESEM采用多级压差光阑技术，形成梯度真空，即镜筒保持高真空的同时，样品室可维持高达2166×102Pa的气压，其温度、气压和相对湿度可以调节；其次，采用气体二次电子探测器，通过二次电子对气体分子的电离作用，一方面使生物样品微弱的二次电子信号放大，另一方面所产生的正离子可消除生物样品表面的电荷积累。这样，含水的、导电性差的生物膜包裹的泥沙样品可直接在ESEM中获得较为真实

7、的微观图像，为进一步对其进行深入研究提供重要信息⋯。(2)激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)是以激光为光源，在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和相应装置，并利用计算机对样品进行数字图像处理的一套观察和分析系统。激光扫描共聚焦显微镜能够对生物样本进行光学断层扫描，进行三维重建，实现对生物膜的动态三维成像。因其具有观察操作简单、可在保持生物膜原有水分和附着在基质上的条件下使用、可进行三维及时间序列成像、可同时应用多个探针，并能同时记录多方面的图像数字信息等优点，故被广泛应用于各相应领域细胞、微生物等的研究中一。，为泥沙颗粒表面的生物膜发

8、育状况的研究提供了一种可能的技术方法。观测时，选用FITC(异硫氰酸荧光素)做荧光染剂，它可与生物膜主体成分中的多糖结合激发绿色荧光，从而被激光扫描共聚焦显微镜所接收。具体染色步骤为：①配置0．01％的FITC和PBS缓