施氏假單胞菌應用于IPS技術的可行性試驗研究

彭爾興 章定文 周 利 孫鵬程

(1東南大學交通學院, 南京 210096)(2東南大學江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室, 南京 210096)(3南京水利科學研究院水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室, 南京 210029)(4華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室, 上海 200237)

施氏假單胞菌應用于IPS技術的可行性試驗研究

彭爾興1,2,3章定文1,2,3周 利4孫鵬程4

(1東南大學交通學院, 南京 210096)(2東南大學江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室, 南京 210096)(3南京水利科學研究院水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室, 南京 210029)(4華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室, 上海 200237)

IPS;施氏假單胞菌;反硝化作用;溫度;pH值

我國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間,地震頻發(fā),每發(fā)生高烈度地震后均會造成人員、建筑及財產的巨大損失.處理可液化砂土地基一直是巖土工程領域關注的熱點問題.用于處理可液化地基的傳統(tǒng)方法主要有強夯、擠密砂樁、碎石樁和水泥土攪拌樁等,這些方法只可對新建地基使用.

Xia等[1]發(fā)現(xiàn)當土體飽和度從100%降低到98.7%后,抗液化強度提高約30%,且含有氣泡的非飽和土體相對于飽和度土體的液化臨界循環(huán)次數(shù)明顯增加.Martin等[2]指出在循環(huán)荷載下,孔隙率為0.4的試樣飽和度降低1%時,超孔隙水壓力降低28%.Yoshimi等[3]指出隨著土體飽和度的減小,其抗液化強度顯著增強,飽和度為70%時的砂樣其抗液化強度為飽和時的3倍.基于此,學者們提出了降低飽和度(induced partial saturation,IPS)技術[4],通過對可液化土層注入少量氣泡,使土體中飽和度降低,當可液化土層受到震動荷載時,土體中的氣泡可以有效減緩超孔隙水壓力升高,從而達到提高土層抗液化能力的效果.該技術不僅可以在新建工程中使用,還可以對既有建筑物或構造物地基施工,方法簡單,成本低廉[5].

現(xiàn)有IPS技術按注氣方法可分為直接注氣法、電解法、排注水法、微生物氣法等[6].其中,微生物氣法主要是利用細菌反硝化作用形成氣泡,反硝化作用是指在缺氧狀況下反硝化細菌將硝態(tài)氮逐步還原為氮氣的過程.反硝化作用的最終產物為氮氣,氮氣是一種惰性氣體,無毒且安全可靠.He[7]對從活性污泥中提取到的以脫氮假單胞菌為主導菌種的混合菌進行了純化,研究了脫氮假單胞菌的脫氮能力與產氣效率.文獻[8]通過三軸試驗與小型振動臺試驗,證實了微生物產生的氮氣氣泡可降低砂土飽和度,并能起到提高土體抗液化能力的作用.Li[9]指出氮氣氣泡在地下水滲流情況下并不是十分穩(wěn)定的,提出了一種將生物氣與生物封堵相結合來處理可液化土體抗液化的方法.

目前,利用微生物氣泡處理可液化地基的研究尚處于起步階段.施氏假單胞菌是土體中常見的一種細菌,屬于假單胞菌屬,是一種棒狀、無芽孢、有鞭毛、好氧性的革蘭氏陰性細菌,具有很強的反硝化能力,多用于水產養(yǎng)殖或污水處理方面.就筆者所見,國內外尚未有利用施氏假單胞菌生成氣泡來提高土體抗液化性能的研究與報道.為了論證該菌在可液化砂土處理中的可行性,并提高砂土內微生物的平均產氣速率、減小產氣初始停滯期,采用室內試驗的方法對施氏假單胞菌的反硝化性能與產氣效率進行研究,所得結論可為生物氣加固可液化砂土地基的可行性分析提供理論依據(jù).

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗用砂取自江蘇省南京某場地,對其進行顆粒分布、比重等常規(guī)試驗,得到該土的相對密度為2.68,級配常數(shù)見表1,粒徑分布曲線見圖1.由表1和圖1可知,土樣粗粒組含量大于50%,不含礫粒和細粒,且不均勻系數(shù)Cu<5,曲率系數(shù)Cc<1,依據(jù)《土的工程分類標準》(GB/T 50145—2007)[10],定名為級配不良砂.

表1 砂土級配常數(shù)

圖1 土樣粒徑分布曲線

菌種為購自德國微生物菌種保藏中心(DSMZ,編號5190)的施氏假單胞菌(pseudomonasstutzeri).培養(yǎng)基為 Luria-Bertani(LB)培養(yǎng)基.反硝化培養(yǎng)基的基本組成為0.2 g MgSO4·7H2O,2 g KNO3和1 g K2HPO4,加入蒸餾水,定容至1 L.為了進行碳源優(yōu)選,分別選取5 g Na3C6H5O7·2H2O,5 g C6H12O6,5 g CH3COONa,5 g NaHCO3作為碳源進行試驗.硝酸鉀為分析純,購自天津市百世化工有限公司;硫酸鎂、磷酸氫二鉀、葡萄糖、檸檬酸鈉、碳酸氫鈉、乙酸鈉均為分析純,購自上海凌峰化學試劑有限公司.

1.2 試驗方法

1.2.1 可行性驗證試驗

② 利用LB培養(yǎng)基培養(yǎng),取生長對數(shù)期的菌懸液以4 000 r/min的速度進行離心,去除上清,并分別添加含有不同碳源的反硝化培養(yǎng)基,使菌懸液的光密度為0.1.試驗中,光密度均在光源波長為600 nm的條件下測得.

③ 在若干2 mL離心管內加入1 mL菌懸液,恒溫靜置培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為30 ℃(最適溫度).

配制含有最優(yōu)碳源的菌懸液,并與砂土混合制樣,驗證其降低飽和度的效果.試驗的詳細步驟如下:

② 以含最優(yōu)碳源的培養(yǎng)基配制光密度為0.1的菌懸液,在氣體測量裝置內將菌懸液與烘干砂混合并制成10 cm3的飽和砂樣.

③ 每隔3 h讀取氣體生成量,驗證可行性.

1.2.2 飽和度影響因素試驗

用20 mL注射器、4 mm×6 mm(內徑×外徑)PVC軟管和2 mL玻璃移液管組成氣體測量裝置,注射器針筒與活塞芯桿需用膠水黏合緊實,如圖2所示.在注射器內利用含最優(yōu)碳源的反硝化培養(yǎng)基制成光密度為0.1的菌懸液,然后將菌懸液與60 ℃下烘干的砂土混合制成飽和圓柱試樣,其目標體積與孔隙比分別為10 cm3與0.50.同時,制備了不含砂樣的純菌懸液試樣作為參照.分別在不同溫度和初始pH值條件下培養(yǎng)試樣,每間隔3 h記錄移液管讀數(shù)和產氣量變化.試驗參數(shù)見表2.在不同pH值條件下,于2 mL離心管中制備1 mL 光密度為0.1的菌懸液,監(jiān)測細菌的生長曲線和菌懸液pH值變化.

圖2 氣體測量裝置示意圖

表2 試驗參數(shù)

2 試驗結果與分析

2.1 可行性驗證

2.1.1 單菌落與菌體形態(tài)

從固體培養(yǎng)基中挑選出施氏假單胞菌的單一菌落,多次進行平板劃線分離,其單菌落形態(tài)呈現(xiàn)圓形(見圖3(a)).菌體形態(tài)圖見圖3(b).

(a) 單菌落

(b) 菌體

2.1.2 反硝化能力驗證與碳源優(yōu)選

表3 硝酸根與亞硝酸根標準曲線相關參數(shù)

(a) 檸檬酸鈉

(b) 乙酸鈉

(c) 葡萄糖

由此可知,以硝酸鉀作為氮源時,檸檬酸鈉為最佳碳源,其還原反應方程為

30CO2↑+9N2↑+6H2O+23OH-

(1)

2.1.3 砂中可行性驗證

(a) 產氣前

(b) 產氣后

2.2 飽和度影響因素分析

2.2.1 溫度對飽和度的影響

圖6給出了不同溫度下施氏假單胞菌產氣量隨時間的變化曲線.由圖可知,該菌在4～30 ℃下均可產氣.隨著溫度的降低,產氣量-時間曲線明顯向右偏移,且溫度為4,15 ℃的砂樣分別出現(xiàn)了18,15 h的初始停滯期;這是因為低溫可減緩細菌的生長代謝并降低參與整個反硝化作用酶的活性,從而導致產氣較慢,并出現(xiàn)初始停滯現(xiàn)象.另外,菌懸液的最終產氣量明顯低于同溫度下的砂樣.這是由于施氏假單胞菌屬于兼性厭氧菌,其特性是在有氧環(huán)境下進行有氧呼吸提供能量,在厭氧環(huán)境下進行反硝化作用提供能量、解決自身代謝,細菌在進入砂樣后會消耗孔隙水內的溶解氧,進行有氧呼

圖6 不同溫度下細菌產氣量隨時間的變化曲線

吸,砂樣孔隙相對密閉,與外界溶解氧交換困難,待溶解氧耗盡時形成缺氧環(huán)境,進行反硝化作用,菌懸液試樣體積相對于砂樣孔隙較大,溶解氧消耗慢,且細菌易受光線影響,因而產氣效果受到限制[7].由此可見,砂土中的孔隙結構可以促進施氏假單胞菌的反硝化作用,并提高反硝化作用對氮源的利用率.考慮前期停滯期和平均產氣速率等因素,該方法的最合適溫度為20～30 ℃.

(2)

式中,Q為產氣總量;tf為產氣結束時間;t0為產氣起始時間.

圖7 最終飽和度、平均產氣速率與溫度的關系

2.2.2 初始pH值對飽和度的影響

圖8為不同初始pH值下細菌產氣量隨時間的變化曲線.由圖可知,恒溫20 ℃且培養(yǎng)液初始pH值為5～9時,該菌可在砂樣中順利產氣.相對于中性與堿性環(huán)境下的砂樣,酸性環(huán)境下砂樣的產氣量-時間曲線明顯向右偏移,且初始pH值為5的試樣具有33 h的初始停滯期,這可能是由于酸性環(huán)境對該菌的生長狀態(tài)存在影響.

圖9為不同初始pH值下的細菌生長曲線.由圖可知,中性與堿性培養(yǎng)液中的細菌生長曲線較為一致,且基本在42 h后進入平臺期,與圖4(a)中結果類似.而酸性環(huán)境下細菌生長較為緩慢,對數(shù)期生

圖8 不同初始pH值下細菌產氣量隨時間的變化曲線

圖9 不同初始pH值下的細菌生長曲線

長速率較低,且較晚進入平臺期,說明酸性環(huán)境抑制了細菌的生長代謝,前期制造缺氧環(huán)境時間過長,導致產氣量-時間曲線右移或出現(xiàn)初始停滯期.

圖10為最終飽和度、平均產氣速率與pH值的關系.由圖可知,中性與堿性環(huán)境下砂樣的最終飽和度基本保持一致,而酸性環(huán)境下砂樣的最終飽和度則有所降低,初始pH值為5的砂樣的最終飽和度可達79.17%.砂樣孔隙屬于封閉體系,CO2滯留于孔隙中,且在水中主要存在如下2個可逆電離反應:

(3)

(4)

圖10 最終飽和度、平均產氣速率與初始pH值的關系

值為5,6,7,8,9時,游離態(tài)CO2中碳元素的物質的量分別占碳元素總物質的量的95.7%,69.2%,18.3%,2.8%,0.2%[14].圖11為菌懸液pH值隨時間變化曲線.由圖可見,反硝化作用可使菌懸液pH值升高,但是酸性環(huán)境下升高幅度相對較小.酸性環(huán)境下砂樣的最終飽和度較低,這可能是由于部分游離態(tài)CO2不溶于孔隙水造成的,砂樣的最終飽和度隨初始pH值的減小而降低.

圖11 菌懸液pH值隨時間變化曲線

2.3 工程應用前景

在本試驗方案中,利用施氏假單胞菌可降低砂樣飽和度,從而保證了該菌在工程應用中的可行性.但是微生物氣泡法在實際施工時的問題不容忽視:① 菌懸液與周邊孔隙水存在離子濃度梯度,導致菌懸液注入砂樣后,菌懸液中的離子出現(xiàn)擴散,組分濃度降低,從而影響細菌的生長狀態(tài)與反硝化過程;② 地下水滲流加速降低菌懸液中離子的濃度;③ 一般的反硝化培養(yǎng)基配方復雜,工藝繁瑣,成本高.由此可見,消除前期停滯期、加快平均產氣速率、縮減培養(yǎng)基成本成為優(yōu)化關鍵.致力于微生物氣泡處理液化研究的學者主要將脫氮假單胞菌作為研究對象[7].現(xiàn)將主要參數(shù)與現(xiàn)有微生物氣法進行對比,結果見表4.由表可知,在外界條件基本類似的情況下,將該菌應用于IPS技術中可提高平均產氣速率,縮短初始停滯期,縮減反硝化培養(yǎng)基所需試劑種類,簡化工藝,節(jié)約成本.菌種、培養(yǎng)基、菌懸液初始光密度以及砂土類型均可能是影響初始停滯期與平均產氣速率的關鍵因素.

表4 產氣試驗條件與效果對比

3 結論

2) 隨著溫度升高,施氏假單胞菌的平均產氣速率大幅增加,砂樣最終飽和度則略有升高.當溫度分別為15和4 ℃時,該菌在產氣方面分別存在15與18 h的初始停滯期,這可能由于溫度影響細胞反硝化作用酶的活性所致.該方法的最合適溫度為20～30 ℃.

3) 恒溫20 ℃,中性和堿性環(huán)境下,砂樣最終飽和度基本保持一致;酸性環(huán)境下,由于部分游離態(tài)CO2不融于孔隙水,砂樣最終飽和度隨初始pH值的減小而降低.細菌在砂樣中的平均產氣速率隨初始pH值的下降而減小.該方法最合適的初始pH值為7～9.

4) 對比現(xiàn)有微生物氣法,本文方法具有培養(yǎng)基配方簡單廉價、初始停止期短、平均產氣速率快等優(yōu)點.

5) 本試驗屬于初步探究,初始條件的優(yōu)化尚需進一步深入研究.

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Feasibility experiment on usingpseudomonasstutzeriin IPS

Peng Erxing1,2,3Zhang Dingwen1,2,3Zhou Li4Sun Pengcheng4

(1School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Southeast University, Nanjing 210096, China) (3Key Laboratory of Failure Mechanism and Safety Control Techniques of Earth-Rock Dam of Ministry of Water Resources, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China) (4State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

induced partial saturation(IPS);pseudomonasstutzeri; denitrification; temperature; pH

第47卷第1期2017年1月 東南大學學報(自然科學版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol．47No．1Jan．2017DOI：10．3969/j．issn．1001-0505．2017．01．029

2016-07-11. 作者簡介: 彭爾興(1986—)，男，博士生；章定文(聯(lián)系人)，博士，教授，博士生導師，zhangdw@seu.edu.cn

水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室開放研究基金資助項目(YK914021)、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2242014R30020)、江蘇高校“青藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)對象資助項目、江蘇省創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX15_0158).

彭爾興,章定文,周利,等.施氏假單胞菌應用于IPS技術的可行性試驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(1):170-176.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.01.029.

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1001-0505(2017)01-0170-07