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地下水是人类赖以生存的主要水源,地下水污染问题长期以来受到各国政府的高度重视。根据已有的报道,水质导致的人类疾病爆发,大约70%与地下水污染有关(Craun,1991),而其中很大一部分是由于地下水中含有致病微生物所致。原生动物、细菌和病毒等致病微生物广泛存在于化粪池、污水污泥、废水等源头,由于处理不当,通过地表和土壤从而迁移至地下水,进而对人类身体健康造成威胁(Jin和Flury,2002)。虽然病毒不是导致地下水污染的唯一致病微生物,但是由于病毒比细菌、原生动物小的多,其抵制土壤颗粒阻滞作用的能力更强,随水迁移至地下水的可能性也更大。在我国关于病毒通过土壤迁移进入地下水,而污染水质安全的研究已经引起了高度关注,但相关研究还没有得到全面展开。
本论文选择噬菌体MS2和phiX174作为指示病毒,以我国8种典型土壤作为主要研究对象,它们分别为采集于河南的砂质潮土(干润砂质新成土,Usti-Sandic Primosols)和壤质潮土(干润冲积新成土,Usti-Alluvic Primosols);江苏常熟的黄泥土(简育水耕人为土,Hapli-Stagnic Anthrosols)和乌栅土(潜育水耕人为土,Gleyi-Stagnic Anthrosols);江西鹰潭红壤土(铁质湿润雏形土,Ferri-Udic Cambosols)和红粘土(粘化湿润富铁土,Argi-Argiudic Ferrosols);广东的赤红壤(富铝湿润富铁土,Alliti-Argiudic Ferrosols)和海南的砖红壤(暗红湿润铁铝土,Rhodi-Udic Ferralosols)。以“高复数感染”扩增方法作为噬菌体培养方法(该方法培养最高可以获得1011 pfu ml-1 MS2和108pfuml-1phiX174),并采用双层平板法作为噬菌体的定量检测方法。以3%的牛肉浸膏+0.04M焦磷酸钠(Na4P2O7),(pH=9.4)作为提取剂,加入到含有病毒的土壤悬浮液中,振荡后,调节pH=7.2-7.4,离心取上清液测定病毒浓度作为土壤中活病毒最适宜提取方法。采用批量平衡法和稳态流土柱法对病毒在土壤中的去向及其影响因素进行了一系列研究,并得到了如下主要结论:
(1)批量平衡法实验中气液界面对吸附实验结果的影响随土壤性质不同而有显著差异。在砂质潮土和红壤土中,均出现了“负吸附”现象,且砂质潮土中这种现象尤为显著,而在红粘土中,则未出现“负吸附”现象,这可能与土壤本身吸附/致死病毒的能力不同有关。可见,为了正确评价不同土壤介质对病毒吸附能力的强弱,采用批量平衡法实验时应尽量避免气液界面存在,以使空白实验和处理实验的条件一致;
(2)我国8种典型土壤对噬菌体MS2和phiX174的等温静态吸附结果表明,一般MS2在土壤中的吸附要低于phiX174,但是该结论在含有较多正电荷的土壤中不适用;土壤pH、粘粒含量、无定型金属氧化物和有机质显著影响土壤对病毒的吸附能力。在数值模拟方面,Freundlich方程和Langmuir方程的模拟结果具有显著的相关性,且Freundlich方程能够表现出病毒浓度对其在土壤中吸附行为的影响,但是Langmuir方程则不能用来计算土壤对病毒的最大吸附量;
(3)有机质不足以占据全部的吸附位点,则有机质对病毒吸附的阻碍作用不是决定土壤吸附病毒的主要因素;土壤有机质的易氧化性与其对病毒吸附的贡献率成正相关。H2O2处理降低土壤有机质总量,但是增加可溶性有机碳含量,导致H2O2处理后的土壤降低了对MS2的吸附作用力,而增加了对phiX174的吸附作用力;
(4)红粘土不仅对病毒具有很强的吸附能力,其对病毒的吸附在短时间内就可以完成,最为重要的是红粘土吸附的病毒主要以不可逆吸附或死亡形式存在,可见红粘土有可能作为一种天然廉价的去除病毒的材料;
(5)温度升高和含水量降低均促进MS2在砂质潮土和红壤土中的死亡,且在温度从20℃增加到37℃,含水量降低至40%以下时,这两者的叠加作用更为显著;灭菌促进了红壤土对MS2的死亡,但对砂质潮土没有影响;灭菌和含水量的共同作用下,降低含水量可以进一步“叠加”灭菌促进MS2在红壤土中的死亡作用,而在砂质潮土中则没有该现象。土著微生物存在时,红壤土中粘土矿物对MS2吸附保护病毒免于死亡导致MS2在红壤土中的死亡率比砂质潮土中低,而在灭菌条件下,MS2在红壤土中的死亡率高于砂质潮土中的死亡率。红壤土中较高的铁铝氧化物含量是导致灭菌和降低含水量叠加作用的主要原因,灭菌和降低土壤含水量促进了病毒在固液界面的作用;
(6)介质的表面性质(亲水/疏水)对病毒迁移具有重要影响,疏水介质对MS2的迁移具有显著的阻滞作用。有机质的在不同的投入方式下对MS2的迁移影响不同,两种投入方式下,柠檬酸均能够显著促进病毒在两种不同介质中的迁移,且在预投入下,促进作用更显著;阳离子表面活性剂DTAB显著增加了病毒的吸附,但在亲水介质中以可逆吸附为主,在疏水介质中仍然有很多以不可逆吸附或死亡形式存在,DTAB共同投入对MS2迁移的影响略小于DTAB预投入条件下的影响;非离子表面活性剂Tween80在亲水介质中对病毒的迁移具有一定的促进作用,而在疏水介质中则具有显著的阻滞作用。且在亲水介质中,Tween80对MS2在共存条件下对其迁移促进作用要高于预投入作用,而在输水玻璃珠中,两种投入方式对迁移的影响作用则相反。