CN113122619A - 一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法 - Google Patents
一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113122619A CN113122619A CN202110384582.8A CN202110384582A CN113122619A CN 113122619 A CN113122619 A CN 113122619A CN 202110384582 A CN202110384582 A CN 202110384582A CN 113122619 A CN113122619 A CN 113122619A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- column
- sand
- aquifer
- organic glass
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 244000005700 microbiome Species 0.000 title claims abstract description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 190
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 86
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims abstract description 67
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 56
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims abstract description 46
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims abstract description 45
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims abstract description 28
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 claims abstract description 28
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 claims abstract description 10
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims abstract description 9
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000012543 microbiological analysis Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 claims description 28
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 claims description 23
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 20
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 15
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000002609 medium Substances 0.000 claims description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 10
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 claims description 9
- 241000894007 species Species 0.000 claims description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 6
- 238000001471 micro-filtration Methods 0.000 claims description 6
- 238000012165 high-throughput sequencing Methods 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000396 dipotassium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000012466 permeate Substances 0.000 claims description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 3
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 3
- VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N sodium nitrate Inorganic materials [Na+].[O-][N+]([O-])=O VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 9
- 241000606125 Bacteroides Species 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 241000186361 Actinobacteria <class> Species 0.000 description 5
- 241000192142 Proteobacteria Species 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 241000589291 Acinetobacter Species 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 241000425347 Phyla <beetle> Species 0.000 description 3
- 241000588769 Proteus <enterobacteria> Species 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 241000193830 Bacillus <bacterium> Species 0.000 description 2
- 241001467578 Microbacterium Species 0.000 description 2
- 229920005372 Plexiglas® Polymers 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- WWUZIQQURGPMPG-UHFFFAOYSA-N (-)-D-erythro-Sphingosine Natural products CCCCCCCCCCCCCC=CC(O)C(N)CO WWUZIQQURGPMPG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108020004465 16S ribosomal RNA Proteins 0.000 description 1
- 241000589220 Acetobacter Species 0.000 description 1
- 241000606750 Actinobacillus Species 0.000 description 1
- 241001135756 Alphaproteobacteria Species 0.000 description 1
- 241000186146 Brevibacterium Species 0.000 description 1
- 241000589876 Campylobacter Species 0.000 description 1
- 241001112696 Clostridia Species 0.000 description 1
- 241000193403 Clostridium Species 0.000 description 1
- 241000192128 Gammaproteobacteria Species 0.000 description 1
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108091007491 NSP3 Papain-like protease domains Proteins 0.000 description 1
- 241000566145 Otus Species 0.000 description 1
- 241000589516 Pseudomonas Species 0.000 description 1
- 241000316848 Rhodococcus <scale insect> Species 0.000 description 1
- 241001136275 Sphingobacterium Species 0.000 description 1
- 239000011543 agarose gel Substances 0.000 description 1
- 238000000246 agarose gel electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004925 denaturation Methods 0.000 description 1
- 230000036425 denaturation Effects 0.000 description 1
- ZPWVASYFFYYZEW-UHFFFAOYSA-L dipotassium hydrogen phosphate Chemical compound [K+].[K+].OP([O-])([O-])=O ZPWVASYFFYYZEW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 210000001951 dura mater Anatomy 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000008398 formation water Substances 0.000 description 1
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005325 percolation Methods 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000013468 resource allocation Methods 0.000 description 1
- WWUZIQQURGPMPG-KRWOKUGFSA-N sphingosine Chemical compound CCCCCCCCCCCCC\C=C\[C@@H](O)[C@@H](N)CO WWUZIQQURGPMPG-KRWOKUGFSA-N 0.000 description 1
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6869—Methods for sequencing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
- G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
- G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Zoology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Biophysics (AREA)
Abstract
本发明公开一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，包括以下步骤：将灭菌后的石英砂装填到有机玻璃柱内；分别从回灌井和河水中采集水样，并配制灭菌营养液；通过人工回灌模拟装置来模拟不同的回灌方式进行回灌；记录回灌时的出水体积和各测压管水头，进而计算饱和渗透系数，通过相对饱和渗透系数的变化反映有机玻璃柱的柱体内介质的堵塞情况；并对水样一、水样三和回灌试验后采集的砂样进行微生物学分析；通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，对堵塞过程中的优势菌进行溯源。本发明可为提高人工回灌含水层效率和防治含水层堵塞提供科学参考。
Description
技术领域
本发明属于地下水环境保护领域，尤其涉及一种追溯地下水人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法。
背景技术
地下水人工回灌不仅可以有效解决地下水资源过度开采引起的诸多环境问题，同时也是实现水资源的地表和地下联合调度，优化水资源配置，提高水资源综合利用率的必经之路。然而，大量工程实践表明，由于回灌水和地层水水质不匹配，引发回灌效率降低甚至回灌井严重堵塞。按照堵塞成因，可将含水层堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和微生物堵塞。其中，微生物堵塞一旦形成，含水层渗透性很难恢复，且极易与物理、化学堵塞形成复合效应，加快含水层堵塞速率。人工回灌涉及到地表水和地下水的联合调度，而不同水源中微生物群落特征差异较大。目前，针对人工回灌过程中导致含水层堵塞的菌种来源问题的研究不够深入。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其采用人工回灌模拟装置，该装置包括有机玻璃柱，有机玻璃柱的顶部进口通过进水管与进水槽连通，在进水管上设置有定水头装置，有机玻璃柱的底部出口通过出水管与出水槽连通，在有机玻璃柱的一侧上部设置有溢流口，在有机玻璃柱的另一侧上下间隔连接有测压管，在测压管的末端处设置有测压板；
该方法包括以下步骤：
(1)将灭菌后的石英砂装填到有机玻璃柱内；
(2)从回灌井中抽取两份地下水水样，一份水样用于地下水微生物测序，记为水样一，另一份水样用于回罐模拟，记为水样二；并从河水中采集两份河水水样，一份水样用于河水微生物测序，记为水样三，另一份水样用于回罐模拟，记为水样四；
(3)在实验室配制灭菌营养液；
(4)将步骤(2)中的水样二和水样四，以及步骤(3)中的灭菌营养液作为回灌液，通过人工回灌模拟装置来模拟不同的回灌方式进行回灌；
进水槽中的回灌液经定水头装置由有机玻璃柱的顶部进口进入，流经有机玻璃柱，从有机玻璃柱的底部出口排出；每隔一段时间，记录人工回灌模拟装置的出水体积和各测压管水头，进而计算饱和渗透系数，通过相对饱和渗透系数的变化反映有机玻璃柱的柱体内介质的堵塞情况；
(5)对水样一、水样三和回灌试验后采集的砂样进行微生物学分析；
(6)通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，对堵塞过程中的优势菌进行溯源。
优选的，所述有机玻璃柱高20cm，内径5cm；溢流口设置在有机玻璃柱的柱体左侧距离顶部2cm处，有机玻璃柱的柱体右侧距离顶部4、6、8、10和20cm处分别设置与测压管相连通的端口；有机玻璃柱的有效填充高度为16cm；所述定水头装置为蠕动泵。
优选的，步骤(1)中：所述石英砂的粒径为0.5mm，石英砂的灭菌过程为在120-130℃的烘箱中灭菌6-8h，石英砂作为模拟装置含水介质以等厚度湿式装填到有机玻璃柱内。
优选的，步骤(1)中，所述有机玻璃柱在填充石英砂的过程中采用湿式保柱的方式，具体步骤如下：将饱柱水注入进出水阀关闭的有机玻璃柱中，一次称量一定重量灭菌后的石英砂，填充有机玻璃柱，两次之后用恒定压力压实砂柱，重复试验。
优选的，步骤(3)中：配制营养液分别采用葡萄糖，NaNO3和K2HPO4作为微生物生长的唯一碳、氮和磷源；将营养液在温度120-130℃，压力0.987ATM条件下灭菌处理10-15min。
优选的，步骤(4)中，回灌方式包括四种：第一种，河水回灌地下水饱水含水层，即采用水样二饱柱，采用水样四回灌；第二种，灭菌营养液回灌地下水饱水含水层，即采用水样二饱柱，采用灭菌营养液回灌；第三种，河水回灌灭菌去离子水饱水含水层，即采用灭菌去离子水饱柱，采用水样四回灌；第四种，灭菌营养液回灌灭菌去离子水饱水含水层，即采用灭菌去离子水饱柱，采用灭菌营养液回灌。
优选的，步骤(4)中：每隔4小时，记录人工回灌模拟装置的出水体积和各测压管水头。
优选的，步骤(4)中：饱和渗透系数的计算公式为
式中，上标i指的是砂柱中的某层；Ks i表示第i层的Ks，具体地Ks 1对应于距砂柱顶部4至6cm区间的饱和渗透系数，Ks 2对应于距砂柱顶部6至8cm的饱和渗透系数，Ks 3对应于距砂柱顶部8至10cm的饱和渗透系数，Ks 4对应于距砂柱顶部10至20cm的饱和渗透系数，Ks 1-4对应于距砂柱顶部4至20cm的饱和渗透系数；Q是渗透流量，即通过砂柱各断面的体积流量(mL/s)，Li是渗透途径，即液压头间过水断面的距离(cm)，A是过水断面的横断面积(cm2)，(ΔH)i是过水断面水头差(cm)。
优选的，步骤(4)中：
采用介质的相对饱和渗透系数(Ks i)′表征回灌堵塞情况，即t时的Kst i值与其初始值，即零时的Ks i值之比；
当(Ks i)′值降至0.1时，即砂柱的饱和渗透系数降低至初始值的10％时，认为砂柱发生堵塞；将砂柱拆下并取样进行微生物群落分析。
优选的，步骤(5)中：
分别将水样一和水样三，用0.45μmPES微孔滤膜过滤，将微孔滤膜立即转移到无菌离心管中，保存在-80℃；
回灌试验结束后，用消毒勺采集砂柱表层砂样，立即转移至无菌离心管中，并保存在-80℃；
采用高通量测序，利用测序结果进行微生物群落多样性、丰富度和相关性分析比较，筛选出优势菌种来源。
本发明的有益技术效果是：
本发明通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，对堵塞过程中的优势菌进行溯源，可为提高人工回灌含水层效率和防治含水层堵塞提供科学参考。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明所涉及人工回灌模拟装置的结构原理示意图；
图2为本发明应用实例中使用分层聚类热图；
图3为本发明应用实例中基于加权Unifrac距离的主坐标分析图。
具体实施方式
针对目前人工回灌过程中导致含水层堵塞的菌种来源问题研究不够深入，本发明通过模拟人工回灌含水层过程，通过饱和渗透系数计算和微生物群落特征分析等手段，追溯导致含水层堵塞的微生物优势菌种来源。
下面对本发明进行详细说明。
一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，采用人工回灌模拟装置，如图1所示，该装置包括有机玻璃柱1，有机玻璃柱1的顶部进口通过进水管2与进水槽3连通，在进水管2上设置有定水头装置4。有机玻璃柱1的底部出口通过出水管5与出水槽6连通。在有机玻璃柱1的一侧上部设置有溢流口7，在有机玻璃柱1的另一侧上下间隔连接有若干根测压管8，在测压管8的末端处设置有测压板9。
上述溢流口7通过溢流管10与溢流槽11连通。
具体地，上述有机玻璃柱高20cm，内径5cm；溢流口设置在有机玻璃柱的柱体左侧距离顶部2cm处，有机玻璃柱的柱体右侧距离顶部4、6、8、10和20cm处分别设置与测压管相连通的端口，每一端口均与一测压管相连通。有机玻璃柱的有效填充高度为16cm。
所述定水头装置用于提供恒定压力，具体可选用蠕动泵等。
该方法包括以下步骤：
(1)将灭菌后的石英砂装填到有机玻璃柱内。
具体地，将粒径大小为0.5mm的标准石英砂在121℃的烘箱中灭菌6h，并作为装置含水介质以等厚度(约2cm)湿式饱柱装填到有效填充高度为16cm的有机玻璃柱内。
湿式饱柱装填包括以下步骤：将饱柱水注入进出水阀关闭的有机玻璃柱中，称量92g灭菌后的石英砂，填充有机玻璃柱，两次之后用恒定压力压实砂柱，重复试验，每根有机玻璃柱至少需920g石英砂饱柱。砂柱完全饱和时间12h以上。
(2)从回灌井中抽取两份地下水水样，一份水样用于地下水微生物测序，记为水样一，另一份水样用于回罐模拟，记为水样二。并从河水中采集两份河水水样，一份水样用于河水微生物测序，记为水样三，另一份水样用于回罐模拟，记为水样四。
(3)在实验室配制灭菌营养液。
配制营养液时，分别采用葡萄糖(2.20mg/L)，NaNO3(0.067mg/L)和K2HPO4(0.42mg/L)作为微生物生长的唯一碳、氮和磷源。将营养液高压灭菌处理(121℃，在0.987ATM)15min。
(4)将步骤(2)中的水样二和水样四，以及步骤(3)中的灭菌营养液作为回灌液，通过人工回灌模拟装置来模拟不同的回灌方式进行回灌。
回灌方式包括四种：第一种，河水回灌地下水饱水含水层，即采用水样二饱柱，采用水样四回灌，计为GR方式；第二种，灭菌营养液回灌地下水饱水含水层，即采用水样二饱柱，采用灭菌营养液回灌，计为GN方式；第三种，河水回灌灭菌去离子水饱水含水层，即采用灭菌去离子水饱柱，采用水样四回灌，计为DR方式；第四种，灭菌营养液回灌灭菌去离子水饱水含水层，即采用灭菌去离子水饱柱，采用灭菌营养液回灌，计为Con方式。
具体地，每种回灌方式的试验步骤如下：
进水槽中的回灌液经定水头装置(恒定水头差为15cm)由有机玻璃柱的顶部进口进入，流经有机玻璃柱，从有机玻璃柱的底部出口排出。在达西定律和水力变化基础上，每隔4h，即从实验开始的第0、4、8、12、16…，记录人工回灌模拟装置的出水体积和各测压管水头，进而计算不同层中饱和渗透系数，通过相对饱和渗透系数的变化反映有机玻璃柱的柱体内介质的堵塞情况。
饱和渗透系数的计算公式为
式中，上标i指的是砂柱中的某层；Ks i表示第i层的Ks，具体地Ks 1对应于距砂柱顶部4至6cm区间的饱和渗透系数，Ks 2对应于距砂柱顶部6至8cm的饱和渗透系数，Ks 3对应于距砂柱顶部8至10cm的饱和渗透系数，Ks 4对应于距砂柱顶部10至20cm的饱和渗透系数，Ks 1-4对应于距砂柱顶部4至20cm的饱和渗透系数；Q是渗透流量，即通过砂柱各断面的体积流量(mL/s)，Li是渗透途径，即液压头间过水断面的距离(cm)，A是过水断面的横断面积(cm2)，(ΔH)i是过水断面水头差(cm)。
采用介质的相对饱和渗透系数(Ks i)′表征回灌堵塞情况，即t时的Kst i值与其初始值，即零时的Ks i值之比。当(Ks i)′值降至0.1时，即砂柱的饱和渗透系数降低至初始值的10％时，认为砂柱发生堵塞；将砂柱拆下并取样进行微生物群落分析。
(5)对水样一、水样三和回灌试验后采集的砂样进行微生物学分析。
其中对水样一、水样三的取样步骤如下：分别将水样一和水样三，用0.45μmPES微孔滤膜过滤，将微孔滤膜立即转移到无菌离心管中，保存在-80℃。
对砂样的取样步骤如下：经过渗滤实验后，用消毒勺对每根砂柱的第一层(距砂柱顶部2～4cm砂层)中约0.5g的砂子取样，后立即转移至无菌离心管中，并保存在-80℃。
对砂样以及过滤后的河水和地下水进行高通量测序，比较其微生物群落多样性、丰富度和相关性。
高通量测序简要介绍如下：
通过紫外可见分光光度计确定最终DNA浓度和纯度，并在1％琼脂糖凝胶电泳上检查DNA质量，通过热循环仪PCR***用通用引物338F(5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3')和806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')扩增细菌16S rRNA基因的V3-V4高变区。PCR反应条件：在95℃下初始变性3min，接下来27个循环反应(95℃下30s，55℃下30s，72℃下45s)，最后在72℃下延展10min。PCR反应体系为：20μL混合物，包含5×FastPfu缓冲液(4μL)，2.5mM dNTP(2μL)，引物(5μM，0.8μL)，FastPfu聚合酶(0.4μL)和10ng模板DNA。从2％的琼脂糖凝胶中提取PCR反应的产物，并使用AxyPrep DNA凝胶提取试剂盒进一步纯化。使用R包基于细菌群落最丰富的OTU生成具有Bray-Curtis距离差异的热图，如图2所示。根据OTU数据，使用Mothur获得了包括丰富度(Chao)，细菌群落多样性(Shannon指数)，均匀度和覆盖度在内的alpha多样性指数。基于OTU数据，使用权重Unifrac距离进行的坐标分析(PCoA)、相似性分析(ANOSIM)对细菌群体之间的群体差异进行测试。
(6)通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，包括微生物群落多样性(Shannon指数)、丰富度(Chao)和相关性分析(聚类热图)等，比较不同回灌方式下微生物群落与原生地下水和河水之间的相似度，从而对堵塞过程中的优势菌进行溯源，即筛选出优势菌来源。
下面通过具体应用实例对本发明作进一步说明：
实验样品及实验场地：原位地下水采集自大沽河下游的1口回灌井(36.370318°N，120.159088°E)，并从附近的小清河(36.370203°N，120.159526°E)中采集河水。大沽河长179.9km，流域面积4161.9km2，河道平均比降1.2/1000，总落差约200m，河道平均宽460m，河网密度0.34km/km2。本实验在山东科技大学地质与地下水物理模拟实验室和水化学实验室进行。
回灌装置设置：使用标准石英砂(d60＝0.5mm；广州市活力医疗设备有限公司，中国广州)，在121℃下的烘箱中灭菌6h，并作为装置多孔介质以等增量(约2cm)填充到有效高度为16cm、内径5cm的有机玻璃柱中。
试验处理：本发明模拟4种不同的回灌方式：(1)河水回灌地下水饱水含水层，计为GR方式；(2)灭菌营养液回灌地下水饱水含水层，计为GN方式；(3)河水回灌灭菌去离子水饱水含水层，计为DR方式；(4)灭菌营养液回灌灭菌去离子水饱水含水层，计为Con方式。4种回灌方式分别设置2组平行试验。
堵塞监测：在回灌过程中，每隔4h监测一次水头压力，计算相对饱和渗透系数。
微生物测序分析：在相对饱和渗透系数达到0.1时进行拆柱，用消毒勺对每根砂柱的第一层(距砂柱顶部2～4cm砂层)中约0.5g的砂进行取样，立即转移至无菌离心管中，并保存在-80℃。对四根砂柱中的砂样以及过滤后的河水和地下水进行高通量测序，比较4种回灌方式和原位地下水、河水中的微生物群落多样性、丰富度和相关性。
结果与分析：
1、各时间段试验组渗透系数
相对饱和渗透系数可以表征人工回灌的堵塞程度，如表1所示为减小的(Ks 1)'值，表明不同回灌方式下，砂柱均发生明显堵塞。以GR柱为例，当回灌试验进行至16h时，砂柱表层相对饱和渗透系数(Ks 1)'值从1.0逐渐降低到0.736，降幅为26.4％，随后从0.736降低到0.103，渗透实验完成。在GR'，GN，GN'，DR和DR'柱中，相对饱和渗透系数分别为0.117、0.110、0.041、0.083和0.002。相反，Con和Con'砂柱中的(Ks 1)'值在1.0附近波动，说明对照组中没有堵塞；在不同的砂层中，相对饱和渗透系数降低，进一步证明砂柱的组合层中也发生堵塞。渗透实验结束时，GR，GR'，GN，GN'，DR和DR砂柱的(Ks 1-4)'值为0.355、0.301、0.419、0.237、0.371和0.017分别小于相应砂柱中第一层的值。该结果表明了堵塞程度随着砂柱由上至下逐渐减小。
2、各实验组中微生物群落的多样性、丰富度和相关性
表2显示了原位地下水和河水中细菌群落的α多样性指数(即samG和samR)。对于samG和samR，观察到的OTU数的平均值分别为1158和219，OUT数目指数平均值为1410和240，多样性指数平均值为4.22和1.73，均一性指数平均值分别为0.60和0.32，说明地下水中细菌群落的多样性和均匀性远高于河水。表2同时显示了在不同补给方式下的生物膜中细菌群落的α多样性指数。对于samGR，samGN和samDR，观察到的OTU的平均值分别为219、178和130，OUT数目指数平均值为312、250和150，多样性指数平均值和均一性指数平均值分别为3.05、2.48、0.31和0.57、0.48、0.48，说明河水回灌地下水饱水含水层方式中细菌群落的多样性和均匀性远高于灭菌营养液回灌地下水饱水含水层和河水回灌灭菌去离子水饱水含水层方式。
表3显示原位地下水和河水中的细菌群落组成。在门类中，变形杆菌是最主要的门，其次是拟杆菌，放线杆菌，硬膜菌，杆状杆菌和绿弯曲菌。samG中，主要门是变形菌门，拟杆菌门，放线菌门，地下环境中，samR中，前四个主要门是变形杆菌门，硬毛菌门，拟杆菌门和放线菌门，这些细菌与淡水水生生物中的其他群落大致相似。纲水平上，samG占主导地位的是丙种细菌，拟杆菌和放线菌，与之不同的是，只有γ变形杆菌是samR中的优势类，说明地下水中细菌群落的多样性和均匀性远高于河水。属水平上，samG占主导地位的四个属是嗜氢菌，醋杆菌，假单胞菌和红球菌，在samR中，不动杆菌绝对占主导地位，其次是微小杆菌，表明地下水中的属比河水中的属多。表3同时显示不同回灌方式生物膜的细菌群落组成。在门类水平上，变形杆菌是最主要的门类，其次拟杆菌属门，放线菌门和杆菌门。samGR和samGN中，变形杆菌绝对占优势，其次是拟杆菌门和放线菌门。与samGR和samGN中的相比，samDR中的细菌平均相对丰度较低，而拟杆菌的平均相对丰度较高。在纲水平上，占主导地位的变形杆菌被细分为α变形细菌和γ变形细菌。在非变形杆菌类别中，芽孢杆菌在samGR和samGN中占主导地位。属水平上，samGR和samGN中，占主导地位的属是不动杆菌属，微小杆菌属和产卟啉杆菌属。该结果显示samGR和samGN中的细菌群落结构具有相似性。与这些样品相比，samDR中的细菌群落组成存在差异，前三位分别是梭菌，鞘氨醇杆菌和不动杆菌。
图2使用分层聚类热图，清楚地显示细菌群落结构。基于属水平的热图，显示了在地下水，河水和生物被膜中发现的五十种细菌丰富的属的分布。图中可以看出，samGR和samGN优先聚集，表明这些样品中的细菌群落结构极为相似。对于samDR，最大热值出现在梭菌中，其次是鞘氨醇，不动杆菌，芽孢杆菌和短杆菌，这些属也处于samGR和samGN的区域，而热量相对较低。
图3是基于加权Unifrac距离的主坐标分析(PCoA)，揭示不同样本之间细菌群落组成差异。结果显示：PC1占变异的48.27％，PC2占变异的37.88％。结果表明：由于样品来源的不同，样品分为不同的组，各组之间的差异显著高于组内差异(ANOSIM，R＝0.9837，P＝0.001)，与samDR中的细菌群落结构相比，samGR和samGN中的细菌群落结构更为相似。图3还显示，原位地下水和河水即samG和samR的细菌群落结构与生物膜即samGR，samGN和samDR的细菌群落结构相距较远。该结果说明自然***中的细菌群落结构与人工条件下的细菌群落结构完全不同，河水是影响细菌群落组成的最重要因素。
根据上述结果，总结出砂柱各层均存在堵塞且堵塞程度随着砂柱由上至下逐渐减小。通过比较不同回灌方式下与原位地下水和河水的细菌群落特征，地下水中细菌群落的多样性和均匀性远高于河水，其中模拟回灌后的细菌群落组成与原位河水细菌群落组成相似，追溯出原位河水是人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源。
表1
表2
表3
Claims (10)
1.一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，采用人工回灌模拟装置，该装置包括有机玻璃柱，有机玻璃柱的顶部进口通过进水管与进水槽连通，在进水管上设置有定水头装置，有机玻璃柱的底部出口通过出水管与出水槽连通，在有机玻璃柱的一侧上部设置有溢流口，在有机玻璃柱的另一侧上下间隔连接有测压管，在测压管的末端处设置有测压板；
该方法包括以下步骤：
(1)将灭菌后的石英砂装填到有机玻璃柱内；
(2)从回灌井中抽取两份地下水水样，一份水样用于地下水微生物测序，记为水样一，另一份水样用于回罐模拟，记为水样二；并从河水中采集两份河水水样，一份水样用于河水微生物测序，记为水样三，另一份水样用于回罐模拟，记为水样四；
(3)在实验室配制灭菌营养液；
(4)将步骤(2)中的水样二和水样四，以及步骤(3)中的灭菌营养液作为回灌液，通过人工回灌模拟装置来模拟不同的回灌方式进行回灌；
进水槽中的回灌液经定水头装置由有机玻璃柱的顶部进口进入，流经有机玻璃柱，从有机玻璃柱的底部出口排出；每隔一段时间，记录人工回灌模拟装置的出水体积和各测压管水头，进而计算饱和渗透系数，通过相对饱和渗透系数的变化反映有机玻璃柱的柱体内介质的堵塞情况；
(5)对水样一、水样三和回灌试验后采集的砂样进行微生物学分析；
(6)通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，对堵塞过程中的优势菌进行溯源。
2.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于：所述有机玻璃柱高20cm，内径5cm；溢流口设置在有机玻璃柱的柱体左侧距离顶部2cm处，有机玻璃柱的柱体右侧距离顶部4、6、8、10和20cm处分别设置与测压管相连通的端口；有机玻璃柱的有效填充高度为16cm；所述定水头装置为蠕动泵。
3.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(1)中：所述石英砂的粒径为0.5mm，石英砂的灭菌过程为在120-130℃的烘箱中灭菌6-8h，石英砂作为模拟装置含水介质以等厚度湿式装填到有机玻璃柱内。
4.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机玻璃柱在填充石英砂的过程中采用湿式饱柱的方式，具体步骤如下：将饱柱水注入进出水阀关闭的有机玻璃柱中，一次称量一定重量灭菌后的石英砂，填充有机玻璃柱，两次之后用恒定压力压实砂柱，重复试验。
5.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(3)中：配制营养液分别采用葡萄糖，NaNO3和K2HPO4作为微生物生长的唯一碳、氮和磷源；将营养液在温度120-130℃，压力0.987ATM条件下灭菌处理10-15min。
6.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(4)中，回灌方式包括四种：第一种，河水回灌地下水饱水含水层，即采用水样二饱柱，采用水样四回灌；第二种，灭菌营养液回灌地下水饱水含水层，即采用水样二饱柱，采用灭菌营养液回灌；第三种，河水回灌灭菌去离子水饱水含水层，即采用灭菌去离子水饱柱，采用水样四回灌；第四种，灭菌营养液回灌灭菌去离子水饱水含水层，即采用灭菌去离子水饱柱，采用灭菌营养液回灌。
7.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(4)中：每隔4小时，记录人工回灌模拟装置的出水体积和各测压管水头。
8.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(4)中：饱和渗透系数的计算公式为
式中，上标i指的是砂柱中的某层；Ks i表示第i层的Ks，具体地Ks 1对应于距砂柱顶部4至6cm区间的饱和渗透系数，Ks 2对应于距砂柱顶部6至8cm的饱和渗透系数，Ks 3对应于距砂柱顶部8至10cm的饱和渗透系数，Ks 4对应于距砂柱顶部10至20cm的饱和渗透系数，Ks 1-4对应于距砂柱顶部4至20cm的饱和渗透系数；Q是渗透流量，即通过砂柱各断面的体积流量(mL/s)，Li是渗透途径，即液压头间过水断面的距离(cm)，A是过水断面的横断面积(cm2)，(ΔH)i是过水断面水头差(cm)。
9.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(4)中：
采用介质的相对饱和渗透系数(Ks i)′表征回灌堵塞情况，即t时的Kst i值与其初始值，即零时的Ks i值之比；
当(Ks i)′值降至0.1时，即砂柱的饱和渗透系数降低至初始值的10％时，认为砂柱发生堵塞；将砂柱拆下并取样进行微生物群落分析。
10.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(5)中：
分别将水样一和水样三，用0.45μmPES微孔滤膜过滤，将微孔滤膜立即转移到无菌离心管中，保存在-80℃；
回灌试验结束后，用消毒勺采集砂柱表层砂样，立即转移至无菌离心管中，并保存在-80℃；
采用高通量测序，利用测序结果进行微生物群落多样性、丰富度和相关性分析比较，筛选出优势菌种来源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110384582.8A CN113122619B (zh) | 2021-04-09 | 2021-04-09 | 一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110384582.8A CN113122619B (zh) | 2021-04-09 | 2021-04-09 | 一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113122619A true CN113122619A (zh) | 2021-07-16 |
| CN113122619B CN113122619B (zh) | 2022-09-20 |
Family
ID=76775713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110384582.8A Active CN113122619B (zh) | 2021-04-09 | 2021-04-09 | 一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113122619B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103630659A (zh) * | 2012-11-30 | 2014-03-12 | 上海市环境科学研究院 | 地下水原位化学和生物修复模拟试验装置及模拟试验方法 |
| CN110987756A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-04-10 | 南华大学 | 测试地下水回灌时酸碱度对微生物堵塞的影响的方法 |
-
2021
- 2021-04-09 CN CN202110384582.8A patent/CN113122619B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103630659A (zh) * | 2012-11-30 | 2014-03-12 | 上海市环境科学研究院 | 地下水原位化学和生物修复模拟试验装置及模拟试验方法 |
| CN110987756A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-04-10 | 南华大学 | 测试地下水回灌时酸碱度对微生物堵塞的影响的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 高宗军等: "地下水人工回灌含水介质微生物堵塞试验研究", 《水文地质工程地质》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113122619B (zh) | 2022-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hua et al. | High-throughput sequencing analysis of bacterial community spatiotemporal distribution in response to clogging in vertical flow constructed wetlands | |
| Cunningham et al. | Biofilm processes in porous media—practical applications | |
| Olson et al. | Sulfate‐reducing and methanogenic bacteria from deep aquifers in Montana | |
| CN105585129A (zh) | 一种模拟原位河道生态***氮素归趋的装置及方法 | |
| Kristjansson et al. | Distribution of Thermus spp. in Icelandic hot springs and a thermal gradient | |
| Torbati et al. | Effect of microbial growth on pore entrance size distribution in sandstone cores | |
| CN102660628B (zh) | 一种测定再生水生物稳定性的方法 | |
| CN104651280B (zh) | 一种石油降解菌p‑6及其应用 | |
| Liao et al. | Performance and microbial diversity of an expanded granular sludge bed reactor for high sulfate and nitrate waste brine treatment | |
| Qi et al. | Effect of biological activated carbon filter depth and backwashing process on transformation of biofilm community | |
| CN103881947B (zh) | 一株形成生物膜的缺陷短波单胞菌及其在含氰废水处理中的应用 | |
| Fang et al. | Biofilm growth on cohesive sediment deposits: Laboratory experiment and model validation | |
| CN110699297B (zh) | 一株粪产碱菌酚亚种及其应用 | |
| Huang et al. | Microbial community study in newly established Qingcaosha Reservoir of Shanghai, China | |
| Zhao et al. | Hydrodynamic and anthropogenic disturbances co-shape microbiota rhythmicity and community assembly within intertidal groundwater-surface water continuum | |
| Lowell et al. | Habitat heterogeneity and associated microbial community structure in a small-scale floodplain hyporheic flow path | |
| CN113122619B (zh) | 一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法 | |
| Wang et al. | Hydrology driven vertical distribution of prokaryotes and methane functional groups in a subtropical peatland | |
| Nie et al. | Analysis of the bacterial community changes in soil for septic tank effluent treatment in response to bio-clogging | |
| CN103011423A (zh) | 蜡状芽孢杆菌ds1在降解皂素废水有机污染物中的应用 | |
| CN110079479A (zh) | 一株藤黄色单胞菌w-y14及其应用 | |
| Gao et al. | Variations in bacterial community structures during geothermal water recharge-induced bioclogging | |
| Zhang et al. | Responses of bacterial community and N-cycling functions stability to different wetting-drying alternation frequencies in a riparian zone | |
| CN106085902B (zh) | 一株微生物采油菌w-y1及其应用 | |
| CN108359593A (zh) | 一种油气藏微宇宙模型及研究油气指示微生物的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |