孟 利，郭炳池，李長發(fā)，趙 梅，賓零陵，郭學茹，劉 鑫，高 健

（1.天津師范大學天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津 300387；2.天津師范大學地理與環(huán)境科學學院，天津300387；3.北京師范大學統(tǒng)計學院，北京 100875；4.北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測所，北京 100195）

微生物包括原生動物、藻類、細菌、真菌、病毒等，因其粒徑范圍在0.01～10.00 μm 之間，又被稱作生物膠體[1-2].微生物作為天然水體中的重要組成部分，在地下水環(huán)境中的遷移過程與地下水資源保護、地下水污染防治及修復(fù)等密切相關(guān)[3-4].一方面，細菌和病毒等病原微生物本身作為一種污染物，會引起地下水的微生物污染[5-6]；另一方面，由于微生物具有巨大的表面積，能夠作為載體吸附重金屬、有機物、病原體等污染物質(zhì)，從而實現(xiàn)協(xié)同遷移，影響上述污染物在地下環(huán)境中的運移過程[7-9].因此，探究地下水中微生物在多孔介質(zhì)中的遷移規(guī)律，不僅能夠為地下飲用水的安全防控提供科學依據(jù)，對于地下水資源保護與污染土壤的生物修復(fù)也至關(guān)重要.

微生物在多孔介質(zhì)中的運移是微生物、介質(zhì)以及水流三者相互作用的結(jié)果，運移過程受各種作用力共同影響[10]，主要包括物理過程、地球化學過程和生物過程.其中，物理過程包括水動力驅(qū)動下的對流和彌散，地球化學過程包括過濾、吸附、解吸和沉積，生物過程包括微生物的生長衰亡、運動和趨化性運移等[11-13].為探究微生物在多孔介質(zhì)中的運移過程，國內(nèi)外學者針對微生物的運移與沉積機制[14-17]、運移過程的主控影響因素[18-21]、運移過程的表征與分析方法[22]等進行了深入的研究.

本文整理了近年來國內(nèi)外有關(guān)微生物運移過程的相關(guān)研究，系統(tǒng)總結(jié)了微生物運移模型、運移與沉積理論以及常用研究方法，詳細梳理了影響微生物在多孔介質(zhì)中運移的物理、化學、生物因素，以期為深入理解微生物在多孔介質(zhì)中的運移過程提供科學支撐，也為其在地下水和土壤污染修復(fù)中的實際應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 微生物在含水介質(zhì)中運移和沉積的理論與模型分析

微生物在含水介質(zhì)中的運移實際上是其隨水流在孔隙中的運移過程，主要包括對流-彌散和吸附-解吸，該過程受多種物理因素（如介質(zhì)粒徑與形狀、介質(zhì)表面粗糙度、介質(zhì)孔隙度、含水率、介質(zhì)非均質(zhì)性、地下水流速、溫度等[20-21]）、化學因素（如pH 值、離子強度、有機質(zhì)含量等）[23-24]、生物因素（如微生物濃度、種類、形態(tài)、表面性質(zhì)等）[25-26]的共同影響.

1.1 對流-彌散

水動力驅(qū)動下微生物在含水介質(zhì)中的運移可分為對流與彌散.對流過程是指微生物隨著水流方向被動向前運移，容易受水力梯度、介質(zhì)孔隙度和介質(zhì)滲透系數(shù)等因素的影響[24].彌散過程指的是微生物在隨水流向前的過程中發(fā)生了分子擴散和機械彌散：分子擴散是指微生物根據(jù)環(huán)境濃度梯度自發(fā)地由高到低的運移過程；機械彌散是指微生物進入多孔介質(zhì)后，由于多孔介質(zhì)的復(fù)雜性微生物的運移過程被拆分從而導(dǎo)致其在多孔介質(zhì)中擴展開來，主要由介質(zhì)通道的不均一性引起[27].微生物伴隨地下水流場的運移過程中，粒徑較小的微生物更易沿流線運動至滯留區(qū)并沉積，粒徑較大微生物的擴散阻塞作用占據(jù)微生物運移過程的主導(dǎo)地位.通常用溶質(zhì)對流-彌散方程來解釋生物膠體在多孔介質(zhì)中的對流和彌散方式[24].

式中：C 為流體中膠體的質(zhì)量濃度，單位為mg/L；t 為運移時間，單位為min；ρ 為多孔介質(zhì)密度，單位為g/cm3；S 為多孔介質(zhì)中沉積膠體的含量，單位為mg/g；θ（-）為孔隙度；q 為達西流速，單位為cm/min；D 為彌散系數(shù)，單位為cm2/min；x 為距離進水側(cè)的距離，單位為cm.

1.2 吸附-解吸

吸附過程作為沉積機制的主要途徑之一，是多孔介質(zhì)通過靜電作用力、范德華力和疏水作用力等使微生物附著在介質(zhì)表面的作用，受溫度、pH 值、細菌類型、多孔介質(zhì)類型、離子強度等因素影響[27].解吸作用作為吸附的反過程，是指已經(jīng)沉積的微生物脫離吸附位點進行二次遷移的現(xiàn)象，吸附過程的影響因素也會影響解吸過程[3].王偉荔[28]依托靜態(tài)平衡吸附實驗發(fā)現(xiàn)，以石英砂為吸附介質(zhì)時大腸桿菌的最大解吸率僅為3.6%.Bai 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在含有黏粒的土壤中吸附作用是去除細菌的主要方式.

研究微生物在多孔介質(zhì)中的吸附-解吸過程時，通常用經(jīng)典理論Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）模型來計算微生物與多孔介質(zhì)表面之間的能量相互作用[27]，進而將吸附過程劃分為可逆吸附與不可逆吸附.作為生物膠體，微生物在多孔介質(zhì)內(nèi)的運移過程中同時受到范德華引力和靜電斥力的作用，通過總勢能的大小來判斷微生物在運移過程中是吸附聚沉還是分散穩(wěn)定.Syngouna 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，總勢能為正且存在斥力作用下膠體在懸浮液中較為穩(wěn)定，不易發(fā)生沉積.李宵慧[14]研究功能菌FA1 在石灰石介質(zhì)中的運移行為時發(fā)現(xiàn)，部分結(jié)果符合傳統(tǒng)DLVO 理論，范德華力和靜電斥力對于微生物在多孔介質(zhì)中的運移具有重要作用.DLVO 理論假設(shè)不超過1 nm 的短距離稱為一次能量最小值，在短距離內(nèi)微生物的運移主要受范德華力影響；5～10 nm 的長距離稱為二次能量最小值，微生物的運移主要受靜電斥力影響.Bai 等[17]使用DLVO模型研究細菌在多孔介質(zhì)中運移和沉積的影響因素，計算結(jié)果表明所有細菌在初級最小值時都經(jīng)歷了大量的排斥性能壘.Zhang 等[30]研究以陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）改性后的無機玄武巖纖維（BF）對大腸桿菌的吸附性能，通過DLVO 計算發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺改性后的玄武巖纖維（CMBF）表面具有更強的親水性和正電荷性，相互作用以路易斯酸堿和靜電吸附為主，在BF 表面涂覆CPAM 可促進細菌在載體表面的初始黏附.

傳統(tǒng)的DLVO 理論通常將微生物膠體和固相表面簡化為光滑均質(zhì)的球和平面，實際上天然膠體和固相表面通常存在納米級的高低不平的突起和正負電荷的不均勻分布.隨著研究不斷深入，考慮到生物膠體與水-氣界面之間的疏水相互作用，國內(nèi)外學者提出了擴展DLVO（XDLVO）理論.如Bai 等[31]在研究非飽和多孔介質(zhì)中固體-空氣-水界面作用的耦合效應(yīng)對細菌沉積機制的相對影響時，通過計算DLVO 和XDLVO 相互作用能曲線，發(fā)現(xiàn)毛細位能大于DLVO計算所得的疏水位能和水動力位能，表明非飽和條件下毛細力引起的膜張力很大程度上控制著細菌的沉積.

1.3 孔隙阻塞與沉積

孔隙阻塞是指由于多孔介質(zhì)部分孔隙太小導(dǎo)致微生物在運移過程中不能順利通過，主要受微生物大小、多孔介質(zhì)的粒徑、介質(zhì)的粗糙程度以及流體力學等因素的影響[32].孔隙阻塞速率系數(shù)與膠體直徑和介質(zhì)粒徑的比值呈線性正相關(guān)，介質(zhì)粒徑與微生物直徑比值在10～20 時經(jīng)常發(fā)生孔隙阻塞.沉積包括點位沉積和熟化沉積2 種過程：點位沉積是指某些微生物沉積于介質(zhì)表面時會減少其他微生物的附著點位，多為多孔介質(zhì)表面的單層沉積，主要受介質(zhì)類型、介質(zhì)比表面積和微生物種類等因素影響[33]；熟化沉積是指在多孔介質(zhì)表面沉積的微生物本身可作為新的沉積點位繼續(xù)進行吸附沉積，通常為多層沉積且微生物流出濃度與時間呈顯著負相關(guān).上述2 個沉積過程均會導(dǎo)致微生物在多孔介質(zhì)表層聚集，點位沉積過程主要由孔隙阻塞和吸附作用構(gòu)成，熟化沉積主要是多孔介質(zhì)表面團聚沉積的微生物會增加沉積點位進而促進其他膠體粒子的共沉積[34].

孔隙阻塞與沉積過程通常用經(jīng)典膠體過濾理論（colloids filtration theory，CFT）來表征在攔截、重力沉降、布朗運動等接觸作用機制下，微生物到達多孔介質(zhì)表面后與固相表面和已截留的生物膠體之間產(chǎn)生的附著作用[32].CFT 假設(shè)體系內(nèi)水動力條件穩(wěn)定，微生物初始濃度為零，水動力彌散影響忽略不計，用一維對流擴散方程描述微生物在多孔介質(zhì)中的運移過程，用膠體沉積速率常數(shù)（katt）定量比較生物膠體在多孔介質(zhì)上的附著情況.通過膠體與多孔介質(zhì)的碰撞效率反映微生物在介質(zhì)表面的吸附過程，碰撞效率越高生物膠體通過吸附作用沉積在介質(zhì)表面的可能性就越大.但已有研究結(jié)果表明，由于沒有考慮點位沉積和吸附沉積，導(dǎo)致非理想條件下CFT 的預(yù)測結(jié)果與實際穿透結(jié)果存在較大偏差[32].

2 微生物在多孔介質(zhì)中運移和沉積的影響因素

微生物在含水介質(zhì)中的運移行為受物理、化學和生物等多種因素的影響[33].近年來，國內(nèi)外學者在單一因素對微生物運移影響的基礎(chǔ)上，對多因素協(xié)同影響機制以及微生物與污染組分協(xié)同運移過程也進行了研究.盡管如此，微生物在多孔介質(zhì)中的運移仍是極為復(fù)雜的過程，需要不斷深入思考.

2.1 物理因素

作為影響微生物在多孔介質(zhì)中運移的重要因素，含水介質(zhì)的物理性質(zhì)諸如介質(zhì)粒徑分布、孔隙度、比表面積、非均質(zhì)性、介質(zhì)表面粗糙度、含水率、徑流速率以及溫度等，均會對微生物在含水介質(zhì)中的運移過程產(chǎn)生影響[34-37].

2.1.1 多孔介質(zhì)粒徑、孔隙度與比表面積

介質(zhì)粒徑與微生物運移能力通常呈顯著正相關(guān)，含水介質(zhì)粒徑越大微生物的運移性能越強.韓志捷等[24]研究發(fā)現(xiàn)，伴隨介質(zhì)粒徑的增大，黏土、壤土和砂土等不同粒徑介質(zhì)對于微生物的吸附能力逐漸降低；Bai 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在細砂中細菌的運移性能與細菌自身的生物特性密切相關(guān)，而在粗砂中則更多受介質(zhì)粒徑的影響；Madumathi[39]研究發(fā)現(xiàn)，在膨潤土、硅酸鹽和高嶺石黏土膠體中，細菌遷移性能分別降低了11.8%、33.8%和67.0%.

多孔介質(zhì)孔隙度與微生物的運移性能也呈顯著正相關(guān)，介質(zhì)孔隙度越小微生物的滯留率越高[18]，多孔介質(zhì)的比表面積越大吸附位點越多，微生物的吸附量也隨之增大，從而不利于微生物運移.多孔介質(zhì)的非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在介質(zhì)粒徑大小不一和孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，進而影響微生物在含水介質(zhì)中的運移行為.Mahmoudi 等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在非均質(zhì)單層體系中由于優(yōu)先流的存在導(dǎo)致細菌比保守溶質(zhì)更早到達突破曲線.

2.1.2 多孔介質(zhì)表面粗糙度和含水率

多孔介質(zhì)表面粗糙度增加會降低微生物與多孔介質(zhì)之間的排斥能壘，進而促進微生物在含水介質(zhì)表面的吸附.Torkzaban 等[41]研究發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)表面粗糙度的密度和高度會顯著影響生物膠體滯留與釋放的程度以及動力學特征，低離子強度條件下在砂面上的某些特定位置也會發(fā)生膠體滯留.

含水率增大會顯著提升微生物的運移性能，微生物在非飽和介質(zhì)中的運移能力往往低于其在飽和介質(zhì)中的運移能力，在非飽和條件下的滯留率高于在飽和多孔介質(zhì)中的滯留率.Zhang 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，降低懸浮液的含水量會增加大腸桿菌噬菌體的滯留；Bai 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在不飽和條件下部分孔隙不能為細菌的滯留做貢獻，氣體-液體界面的細菌會增多，二者的平衡導(dǎo)致了與飽和條件下差不多的細菌滯留率.

2.1.3 徑流速度

徑流速度對微生物運移有顯著的正向促進作用，地下水水流速度越大，水流與含水介質(zhì)之間的剪切力越強，進而促進微生物在介質(zhì)中的運移與釋放[20，23].Oudega等[42]研究發(fā)現(xiàn)，流速越低Bacillus subtilis sp.在礫石含水層中的運移效率越低進而去除率增加.質(zhì)量回收率（recovery，Re）是量化流速對微生物運移影響的指標之一，它利用實驗過程中微生物在流出端檢測到的運移量占注入膠體總量的百分比反映微生物在運移過程中沉積量與遷移量的相對關(guān)系[10].Zhang 等[7]選用碘化鉀作為示蹤劑研究病毒在飽和多孔介質(zhì)中的運移過程，發(fā)現(xiàn)離子強度增加會降低Re 值進而降低病毒的運移效率.

2.1.4 溫度

溫度對于微生物運移的影響目前還未形成統(tǒng)一的結(jié)論：一方面，溫度對于不同微生物的表面親疏水性、生長狀態(tài)、活性等的影響差異很大；另一方面，溫度變化時流體的黏度、電導(dǎo)率等因素也隨之改變進而影響微生物與多孔介質(zhì)之間的相互作用[37].如Sasidharan等[43]研究發(fā)現(xiàn)，溫度從4 ℃增加到25 ℃的過程中，病毒PRD1 在以NaCl 溶液（濃度為30 mmol/L）飽和的石英砂柱中的滯留量增加；Bai 等[44]發(fā)現(xiàn)，溫度上升會加速懸浮膠體的不規(guī)則運動，減小其運移速率進而減弱膠體在多孔介質(zhì)中的穿透能力；Chrysikopoulos 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)條件下溫度對石英砂吸附病毒的能力影響顯著；Knabe 等[46]研究發(fā)現(xiàn)，地下水的溫度和含氧量的季節(jié)變化對水中噬菌體和腺病毒運移過程的影響不顯著.

2.2 化學因素

多孔介質(zhì)的礦物組成、表面電荷、pH 值、離子強度以及有機化合物等化學性質(zhì)是影響微生物在含水介質(zhì)中運移行為的重要因素[23-24].

2.2.1 礦物組成

含水介質(zhì)中含有礦物鹽（如方解石、碳酸鈣等）一定程度上會促進微生物在介質(zhì)中的滯留，介質(zhì)表面加載金屬及其氧化產(chǎn)物一方面會改變介質(zhì)表面的電荷及親疏水性，另一方面也會增大微生物在介質(zhì)表面的覆蓋面積進而提供新的吸附點位，兩方面均會增強含水介質(zhì)對微生物的吸附作用[47].Kim 等[48]研究發(fā)現(xiàn)，隨著石英砂介質(zhì)表面加載的針鐵礦含量從0%增至100%，細菌Esche richia coli ATCC 11105 的穿透率由76.7%減低至2.7%；He 等[49]研究發(fā)現(xiàn)，細菌和石英砂表面的化學異質(zhì)性降低了二者之間的排斥力，增加了懸浮液石英砂中細菌的滯留.

2.2.2 表面電荷

微生物表面的負電荷、疏水性、表面張力和空間位阻在胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）的影響下均會發(fā)生改變，進而影響微生物在含水介質(zhì)中的運移過程.杜夢雅等[50]通過實驗發(fā)現(xiàn)，EPS 能増強細菌與石英砂表面的靜電作用力、疏水作用力和空間位阻作用力，減弱了范德華力，因此促進了大腸桿菌的運移；Dong 等[51]研究發(fā)現(xiàn)，細菌懸液中存在硅酸鹽時硅酸鹽與細胞表面EPS 的相互作用降低了細菌的zeta 電位，導(dǎo)致石英砂中細胞轉(zhuǎn)運減少.

2.2.3 pH 值

pH 值增加會導(dǎo)致微生物細胞壁中羧基和氨基基團的離解從而使其帶負電荷，提高微生物的運移性能進而降低微生物在多孔介質(zhì)中的沉積[52].Wu 等[53]研究發(fā)現(xiàn)，pH 值由3.0 增至10.0 的過程中由于針鐵礦與細菌表面之間的靜電引力減小，導(dǎo)致細菌Pseudomonas putida 在針鐵礦、高嶺土和蒙脫土中的吸附量分別減小91%、62%和55%；Zhang 等[7]針對含水層補給的水動力和水文地球化學條件對大腸埃希噬菌體vB_EcoM-ep3 運移影響的研究結(jié)果表明，pH 值下降會增加大腸桿菌噬菌體的吸附.

2.2.4 離子強度與離子價態(tài)

離子強度和離子價態(tài)會通過改變膠體與介質(zhì)之間的勢能以及離子交換作用影響微生物與含水介質(zhì)之間的吸附作用[24].根據(jù)DLVO 理論，電解質(zhì)濃度增加會壓縮擴散層進而降低斥力勢能，離子強度增大會促進微生物在介質(zhì)表面的吸附過程進而增加滯留量[7，38].離子強度增加也會衰減微生物沉積過程中的勢壘，進而正向促進微生物在多孔介質(zhì)表面的吸附過程.同單價離子相比，二價離子（Mg2+、Ca2+、Fe2+）可被膠體雙電層壓縮的性能更強，導(dǎo)致體系斥力勢能降低，更有利于膠體在多孔介質(zhì)上的吸附[3].Zhang 等[54]研究發(fā)現(xiàn)，溶液鹽度增加會增強細菌的凝聚能力，進而降低其運移效率；Fan 等[55]研究發(fā)現(xiàn)，同樣離子強度條件下溶液中的Ca2+對于Pseudomonas sp.strain B 13 在砂柱中的滯留作用比Na+顯著；Dong 等[56]研究發(fā)現(xiàn)，鹽度顯著降低了塑料降解細菌Planktonic bacteria sp.從河流到海洋運移過程中的分布種類與相對豐度.

2.2.5 有機化合物與有機質(zhì)

天然有機質(zhì)（natural organic matter，NOM）和有機化合物（organic compound，OC）在環(huán)境中普遍存在，它們會對細菌的表面特性及其運移能力產(chǎn)生影響.Wu等[57]研究發(fā)現(xiàn)，雙酚A 會通過疏水作用競爭石英砂表面的吸附點位，從而促進細菌Esche richia coli sp.和Bacillus subtilis sp.在飽和石英砂多孔介質(zhì)中的運移.Jimenez-Sanchez 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，以向日葵根分泌物、腐殖酸和合成親油肥料S-200 為代表的溶解性有機物（dissolved organic matter，DOM），在高質(zhì)量濃度（約130 mg/L）時均能促進Pseudomonas putida G7 細菌在多孔介質(zhì)中的遷移，在低質(zhì)量濃度（約16 mg/L）下僅在向日葵根分泌物中有增強效果.Zhao 等[36]的研究結(jié)果表明，天然有機質(zhì)抑制了細菌的黏附性能且黏附力隨著pH 值的增加而降低.Shen 等[58]研究發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽可以與微生物表面的胞外聚合物相互作用，降低細菌的zeta 電位從而有利于細菌在有硫酸鹽存在的菌懸液中進行運移.Li 等[59]的研究表明，在靜電斥力的引導(dǎo)下腐殖酸膠體顯著促進了大腸桿菌Escherichia coli O157 ∶H7 在不飽和含水介質(zhì)中的運移，而Fe2O3在毛細管力的控制下由于接觸角的限制會抑制細菌運移.

2.3 生物因素

微生物本身具有活性，其大小和形狀、表面性質(zhì)、狀態(tài)、胞外聚合物、鞭毛、趨向性和濃度等均會對微生物在含水介質(zhì)中的運移產(chǎn)生影響[60].

2.3.1 微生物的大小、形狀以及胞外聚合物

已有研究表明，微生物形狀越接近球形，其在介質(zhì)中的運移越容易[38]，雖然細菌形狀及大小對其在多孔介質(zhì)中運移過程的影響研究開始較早，但是目前關(guān)于形狀影響細菌運移及滯留行為的研究還有待深入挖掘.微生物生長過程中自身分泌的高分子聚合物統(tǒng)稱為胞外聚合物，其主要成分是蛋白質(zhì)、多糖、胞外DNA 和腐殖質(zhì)等，不僅可改變微生物的表面電荷和親疏水性，還會影響微生物表面的非均質(zhì)性，從而影響與介質(zhì)之間的吸附作用，改變其在多孔介質(zhì)中的運移及滯留行為[61].Harimawan 等[62]研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度范圍內(nèi)的胞外聚合物會增強大腸桿菌與介質(zhì)表面的靜電作用力、疏水作用力和空間位阻作用力，減弱范德華力，從而促進大腸桿菌在石英砂內(nèi)的運移[62].

2.3.2 細胞表面的親疏水性

細胞表面的親疏水性是影響微生物吸附狀態(tài)的重要因素，相比于親水膠體，疏水膠體更容易團聚，穩(wěn)定性差.微生物表面具有鞭毛或菌毛，會使其自身有運動性能，增加細胞與介質(zhì)表面之間的接觸效率進而強化吸附作用，促進微生物在介質(zhì)表面的沉積[63].Gu 等[64]研究發(fā)現(xiàn)，嗜水菌Massilia sp.WF1 具有鞭毛和Ⅲ型分泌系統(tǒng)，運移性能優(yōu)于疏水菌Mycobacterium sp.WY10.Bai 等[65]研究發(fā)現(xiàn)，運動型大腸桿菌在不同孔徑和孔隙的多孔介質(zhì)中的滯留率相似，而非運動型克雷伯氏菌的滯留率在孔隙較大、孔徑分布范圍較大的介質(zhì)中下降.

2.3.3 微生物的狀態(tài)和濃度

由于微生物本身具有活性，因此菌體的生長階段、活性、饑餓狀態(tài)等均會影響其在多孔介質(zhì)中的運移行為.Cunningham 等[66]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長時間饑餓后的細菌在介質(zhì)表面的吸附量減少，穿出介質(zhì)的能力增強；Madumathi 等[39]研究發(fā)現(xiàn)，失活大腸桿菌的運移能力強于代謝活性較強的大腸桿菌.

濃度是影響微生物在介質(zhì)中運移的重要因素之一.對于運動型微生物，伴隨微生物濃度的增大，已經(jīng)吸附在介質(zhì)表面的微生物可以為其他個體提供新的吸附位點進而增加介質(zhì)中微生物的滯留量；對于非運動型微生物，微生物濃度增大反而降低了其在介質(zhì)中的滯留量，個體吸附在介質(zhì)表面后占據(jù)吸附位點，導(dǎo)致后續(xù)注入個體的吸附點位減少從而穿透率增加[67].

2.3.4 微生物的趨化性

細菌具有可感知環(huán)境中的化學物質(zhì)并沿著物質(zhì)濃度梯度定向運動的能力，稱為細菌趨化性，它在細菌趨近有利而規(guī)避不利環(huán)境過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[68].有機化合物通常會被微生物視作碳源，菌體會向其移動并在其周圍聚齊，最終影響微生物運移.已有研究表明，希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens CN-32）對As（V）存在趨化響應(yīng)行為[69]；Gao 等[70]的研究表明，細菌在非水相流體（non aqueous phase liquids，NAPL）表面具有趨化作用和吸附作用，通過Pseudomonas putida G7 量化了趨化性對細菌運移的影響程度，為后續(xù)石油烴類污染場地的生物修復(fù)提供了一定的技術(shù)支撐.

2.4 共遷移

地下環(huán)境中礦物顆粒、污染物等物質(zhì)的存在會影響多孔介質(zhì)與微生物之間的相互作用以及生物膠體在環(huán)境中的運移.黏土礦物作為環(huán)境中廣泛存在的膠體，由于比表面積較大且具有較強的陽離子交換能力，黏土顆粒與微生物之間常會發(fā)生相互作用.Yang等[71]通過柱實驗探究黏土顆粒對不規(guī)則石英砂中細菌運移和沉積動力學的影響，結(jié)果表明膨潤土降低了多孔介質(zhì)中的細菌運移，與細胞類型（革蘭氏陰性或革蘭氏陽性）和溶液化學性質(zhì)（離子強度和離子價態(tài)）無關(guān)，在NaCl 溶液中歸因于細菌與膨潤土顆粒的共沉積，CaCl2溶液中則是因為形成的細菌-膨潤土-細菌簇促進了細菌的沉積.Madumathi[39]研究發(fā)現(xiàn)，在膨潤土、硅酸鹽和高嶺石黏土膠體中，細菌運移性能分別降低了11.8%、33.8%和67.0%.除了黏土礦物外，諸如微塑料（microplastics，MPs）、二氧化硅以及石墨烯納米顆粒等微小顆粒的存在也會影響微生物在多孔介質(zhì)中的運移.如Qin 等[72]研究發(fā)現(xiàn)，二氧化硅與多孔介質(zhì)中堵塞的病毒團聚成顆粒，改變了多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)進而阻礙了病毒在飽和多孔介質(zhì)中的運移；Gao等[12]研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度范圍內(nèi)的MPs 存在會通過競爭沉積點位以及在多孔介質(zhì)中的孔隙阻塞導(dǎo)致大腸桿菌運移率增加，在較高的MPs 濃度下，由于MPs 的過濾效應(yīng)、MPs 表面粗糙度的耦合效應(yīng)及其對大腸桿菌的吸引力，大腸桿菌的滯留率明顯增加；He 等[73]同樣發(fā)現(xiàn)不同大小的塑料顆粒在高離子強度下促進細菌轉(zhuǎn)運的機制不同，對于0.02 μm 的納米塑料顆粒，其在細菌表面的吸附和由于懸浮的納米塑料顆粒引起的排斥作用共同促進了細菌運移；He 等[74]研究發(fā)現(xiàn)，羧酸改性的微塑料顆粒（CMPs）與細菌共存時會在石英砂上形成較大的CMPs 細菌團簇，細菌吸附在石英砂上增加的沉積位點會促進CMPs 在砂柱中的沉積；Georgopoulou 等[75]的研究表明，氧化石墨烯納米顆粒的存在對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和糞腸球菌的運移都產(chǎn)生抑制，同時細菌的存在也會抑制氧化石墨烯的運移.

3 微生物在多孔介質(zhì)中運移和沉積的研究與分析方法

3.1 室內(nèi)模擬與原位場地實驗研究

室內(nèi)模擬實驗作為探究微生物在多孔介質(zhì)中運移和沉積過程的主要研究手段，在微生物運移過程的揭示、主要影響因素的確定等方面應(yīng)用較多.如李宵慧[14]采用批實驗與柱實驗結(jié)合的方式，研究了重金屬和微生物在石英砂多孔介質(zhì)中的共遷移行為；洪志能等[76]運用土柱實驗和細菌平衡吸附實驗，研究了不同離子強度和溶液pH 值條件下，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在飽和石英砂柱中的運移行為及微觀機制；Gao 等[12]通過柱實驗、熱力學、XDLVO 理論和雙位點動力學滯留模型研究了微塑料對大腸桿菌運輸?shù)挠绊?；Ning 等[20]以金屬還原細菌謝氏桿菌（Shewanella oneidensis sp.MR1）為例，通過室內(nèi)土柱模擬實驗研究了在地下環(huán)境中常見的徑流中斷條件對細菌附著與分離的影響；Guo 等[77]以典型革蘭氏陽性石油降解菌棒狀桿菌變異株（Corynebacterium variabile sp.HRJ4）為研究對象，通過室內(nèi)模擬實驗研究了不同生物炭對細菌運移和滯留的影響；Pang 等[78]通過室內(nèi)柱實驗，研究了在2 mmol/L NaCl（pH 值為6.6～6.9）、孔隙速率4.6～5.4 m/d 條件下輪狀病毒、腺病毒和噬菌體（MS2）在沖積礫石含水層介質(zhì)中的運移過程.

依據(jù)已有的室內(nèi)實驗研究結(jié)果，微生物在多孔介質(zhì)中的運移行為在實際場地也陸續(xù)開展.Kvitsand 等[79]認為在流速較快的場地條件下，寒冷氣候和氧化物礦物的存在會降低病毒活性進而阻礙病毒運移，同時場地環(huán)境中存在優(yōu)先流以及污染物的可逆吸附會增加污染物運移的風險.Van Der Wielen 等[80]通過現(xiàn)場實驗探究了在缺氧含水層中Bacteriophages MS2 和?X174的去除效果.Pang 等[78]對枯草芽孢桿菌孢子和F-RNA噬菌體MS2 在粗沖積礫石含水層中的運移過程進行了評估.Hornstra 等[81]的研究表明，在低氧條件下運移時間、垂向遷移距離以及孔隙水流速均對病毒的遷移有影響.由于場地研究的限制條件較多且場地情況較為復(fù)雜，目前實際場地開展微生物運移的研究相對較少.

3.2 分析表征與標識技術(shù)

微生物在多孔介質(zhì)中的運移過程不僅涉及到微生物自身形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，還需要詳細刻畫多孔介質(zhì)形貌結(jié)構(gòu)的改變，熒光顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）的應(yīng)用使得孔隙尺度可視化技術(shù)有了很大的進步，能夠明晰描述飽和與不飽和多孔介質(zhì)中生物膠體的運移過程[22].如Gu 等[64]使用熒光顯微鏡觀察到真菌Phanerochaete chrysosporium sp.菌絲的運移過程；Zhang 等[30]使用掃描電子顯微鏡觀察到大腸桿菌噬菌體的形狀和大小.隨著研究的不斷深入，磁共振成像技術(shù)（magnetic resonance imaging，MRI）、原子力顯微鏡技術(shù)（atomic force microscopy，AFM）以及綠色熒光蛋白標記（green fluorescent protein，GFP）等表征手段不斷地推陳出新.Zhang 等[13]使用MRI 對多孔介質(zhì)中的細胞趨化性進行了定量研究；Qin 等[4]采用GFP 結(jié)合透光法揭示了非均質(zhì)含水層中的苯胺降解細菌（Pseudomonas migulae AN-1）的運移過程.基于AFM 的表征技術(shù)是一種高靈敏度高精度的力學檢測方法，能夠探索微生物的形貌、化學信息、導(dǎo)電性、靜電力以及生物學特性等多項信息，并且能夠?qū)ζ溥M行分子級別精度的三維操縱[27].對于今后微生物在多孔介質(zhì)中的運移研究，應(yīng)在已有的理論基礎(chǔ)上繼續(xù)豐富研究方法和測試手段，為探究微生物在多孔介質(zhì)中的運移提供可靠依據(jù).

4 結(jié)論與展望

掌握微生物在多孔介質(zhì)中的運移過程及影響因素對預(yù)測微生物的運移分布、污染場地以及地下水的生物修復(fù)至關(guān)重要.本文系統(tǒng)總結(jié)與分析了微生物在含水介質(zhì)中的運移和沉積的機制與模型、影響微生物運移行為的物理、化學和生物因素，介紹了微生物在多孔介質(zhì)中運移和沉積的研究與分析方法.基于此，提出以下幾點后續(xù)需要進行的研究.

（1）目前關(guān)于微生物在多孔介質(zhì)中運移行為的研究對象多為大腸桿菌等致病微生物，實驗介質(zhì)多為均質(zhì)性石英砂或者玻璃珠，針對土壤和含水介質(zhì)巖性多樣且非均質(zhì)性特點的相關(guān)介質(zhì)中微生物的運移行為有待進一步挖掘.

（2）研究方法主要集中于單一影響因素下室內(nèi)土柱模擬實驗，但實際的土壤或地下水環(huán)境中微生物的運移往往受到多因素共同影響.因此開展多因素聯(lián)合影響研究對于準確掌握微生物在地下環(huán)境中的運移行為必不可少.

（3）微生物的異質(zhì)性導(dǎo)致已有的運移和沉積規(guī)律并不完全適用于諸如氮循環(huán)的關(guān)鍵功能菌屬，需要進一步地系統(tǒng)研究和完善功能微生物在多孔介質(zhì)中的運移行為及其參與相關(guān)污染組分遷移轉(zhuǎn)化的作用機制.