施氏假单胞菌应用于IPS技术的可行性试验研究

2017-02-09彭尔兴章定文孙鹏程

东南大学学报（自然科学版） 2017年1期

彭尔兴章定文周利孙鹏程

(1东南大学交通学院, 南京 210096)(2东南大学江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室, 南京 210096)(3南京水利科学研究院水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室, 南京 210029)(4华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室, 上海 200237)

彭尔兴1,2,3章定文1,2,3周利4孙鹏程4

IPS;施氏假单胞菌;反硝化作用;温度;pH值

我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,地震频发,每发生高烈度地震后均会造成人员、建筑及财产的巨大损失.处理可液化砂土地基一直是岩土工程领域关注的热点问题.用于处理可液化地基的传统方法主要有强夯、挤密砂桩、碎石桩和水泥土搅拌桩等,这些方法只可对新建地基使用.

Xia等[1]发现当土体饱和度从100%降低到98.7%后,抗液化强度提高约30%,且含有气泡的非饱和土体相对于饱和度土体的液化临界循环次数明显增加.Martin等[2]指出在循环荷载下,孔隙率为0.4的试样饱和度降低1%时,超孔隙水压力降低28%.Yoshimi等[3]指出随着土体饱和度的减小,其抗液化强度显著增强,饱和度为70%时的砂样其抗液化强度为饱和时的3倍.基于此,学者们提出了降低饱和度(induced partial saturation,IPS)技术[4],通过对可液化土层注入少量气泡,使土体中饱和度降低,当可液化土层受到震动荷载时,土体中的气泡可以有效减缓超孔隙水压力升高,从而达到提高土层抗液化能力的效果.该技术不仅可以在新建工程中使用,还可以对既有建筑物或构造物地基施工,方法简单,成本低廉[5].

现有IPS技术按注气方法可分为直接注气法、电解法、排注水法、微生物气法等[6].其中,微生物气法主要是利用细菌反硝化作用形成气泡,反硝化作用是指在缺氧状况下反硝化细菌将硝态氮逐步还原为氮气的过程.反硝化作用的最终产物为氮气,氮气是一种惰性气体,无毒且安全可靠.He[7]对从活性污泥中提取到的以脱氮假单胞菌为主导菌种的混合菌进行了纯化,研究了脱氮假单胞菌的脱氮能力与产气效率.文献[8]通过三轴试验与小型振动台试验,证实了微生物产生的氮气气泡可降低砂土饱和度,并能起到提高土体抗液化能力的作用.Li[9]指出氮气气泡在地下水渗流情况下并不是十分稳定的,提出了一种将生物气与生物封堵相结合来处理可液化土体抗液化的方法.

目前,利用微生物气泡处理可液化地基的研究尚处于起步阶段.施氏假单胞菌是土体中常见的一种细菌,属于假单胞菌属,是一种棒状、无芽孢、有鞭毛、好氧性的革兰氏阴性细菌,具有很强的反硝化能力,多用于水产养殖或污水处理方面.就笔者所见,国内外尚未有利用施氏假单胞菌生成气泡来提高土体抗液化性能的研究与报道.为了论证该菌在可液化砂土处理中的可行性,并提高砂土内微生物的平均产气速率、减小产气初始停滞期,采用室内试验的方法对施氏假单胞菌的反硝化性能与产气效率进行研究,所得结论可为生物气加固可液化砂土地基的可行性分析提供理论依据.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验用砂取自江苏省南京某场地,对其进行颗粒分布、比重等常规试验,得到该土的相对密度为2.68,级配常数见表1,粒径分布曲线见图1.由表1和图1可知,土样粗粒组含量大于50%,不含砾粒和细粒,且不均匀系数Cu<5,曲率系数Cc<1,依据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)[10],定名为级配不良砂.

表1 砂土级配常数

图1 土样粒径分布曲线

菌种为购自德国微生物菌种保藏中心(DSMZ,编号5190)的施氏假单胞菌(pseudomonasstutzeri).培养基为 Luria-Bertani(LB)培养基.反硝化培养基的基本组成为0.2 g MgSO4·7H2O,2 g KNO3和1 g K2HPO4,加入蒸馏水,定容至1 L.为了进行碳源优选,分别选取5 g Na3C6H5O7·2H2O,5 g C6H12O6,5 g CH3COONa,5 g NaHCO3作为碳源进行试验.硝酸钾为分析纯,购自天津市百世化工有限公司;硫酸镁、磷酸氢二钾、葡萄糖、柠檬酸钠、碳酸氢钠、乙酸钠均为分析纯,购自上海凌峰化学试剂有限公司.

1.2 试验方法

1.2.1 可行性验证试验

② 利用LB培养基培养,取生长对数期的菌悬液以4 000 r/min的速度进行离心,去除上清,并分别添加含有不同碳源的反硝化培养基,使菌悬液的光密度为0.1.试验中,光密度均在光源波长为600 nm的条件下测得.

③ 在若干2 mL离心管内加入1 mL菌悬液,恒温静置培养,培养温度为30 ℃(最适温度).

配制含有最优碳源的菌悬液,并与砂土混合制样,验证其降低饱和度的效果.试验的详细步骤如下:

② 以含最优碳源的培养基配制光密度为0.1的菌悬液,在气体测量装置内将菌悬液与烘干砂混合并制成10 cm3的饱和砂样.

③ 每隔3 h读取气体生成量,验证可行性.

1.2.2 饱和度影响因素试验

用20 mL注射器、4 mm×6 mm(内径×外径)PVC软管和2 mL玻璃移液管组成气体测量装置,注射器针筒与活塞芯杆需用胶水黏合紧实,如图2所示.在注射器内利用含最优碳源的反硝化培养基制成光密度为0.1的菌悬液,然后将菌悬液与60 ℃下烘干的砂土混合制成饱和圆柱试样,其目标体积与孔隙比分别为10 cm3与0.50.同时,制备了不含砂样的纯菌悬液试样作为参照.分别在不同温度和初始pH值条件下培养试样,每间隔3 h记录移液管读数和产气量变化.试验参数见表2.在不同pH值条件下,于2 mL离心管中制备1 mL 光密度为0.1的菌悬液,监测细菌的生长曲线和菌悬液pH值变化.

图2 气体测量装置示意图

表2 试验参数

2 试验结果与分析

2.1 可行性验证

2.1.1 单菌落与菌体形态

从固体培养基中挑选出施氏假单胞菌的单一菌落,多次进行平板划线分离,其单菌落形态呈现圆形(见图3(a)).菌体形态图见图3(b).

(a) 单菌落

(b) 菌体

2.1.2 反硝化能力验证与碳源优选

表3 硝酸根与亚硝酸根标准曲线相关参数

(a) 柠檬酸钠

(b) 乙酸钠

由此可知,以硝酸钾作为氮源时,柠檬酸钠为最佳碳源,其还原反应方程为

30CO2↑+9N2↑+6H2O+23OH-

(1)

2.1.3 砂中可行性验证

(a) 产气前

(b) 产气后

2.2 饱和度影响因素分析

2.2.1 温度对饱和度的影响

图6给出了不同温度下施氏假单胞菌产气量随时间的变化曲线.由图可知,该菌在4～30 ℃下均可产气.随着温度的降低,产气量-时间曲线明显向右偏移,且温度为4,15 ℃的砂样分别出现了18,15 h的初始停滞期;这是因为低温可减缓细菌的生长代谢并降低参与整个反硝化作用酶的活性,从而导致产气较慢,并出现初始停滞现象.另外,菌悬液的最终产气量明显低于同温度下的砂样.这是由于施氏假单胞菌属于兼性厌氧菌,其特性是在有氧环境下进行有氧呼吸提供能量,在厌氧环境下进行反硝化作用提供能量、解决自身代谢,细菌在进入砂样后会消耗孔隙水内的溶解氧,进行有氧呼

图6 不同温度下细菌产气量随时间的变化曲线

吸,砂样孔隙相对密闭,与外界溶解氧交换困难,待溶解氧耗尽时形成缺氧环境,进行反硝化作用,菌悬液试样体积相对于砂样孔隙较大,溶解氧消耗慢,且细菌易受光线影响,因而产气效果受到限制[7].由此可见,砂土中的孔隙结构可以促进施氏假单胞菌的反硝化作用,并提高反硝化作用对氮源的利用率.考虑前期停滞期和平均产气速率等因素,该方法的最合适温度为20～30 ℃.

(2)

式中,Q为产气总量;tf为产气结束时间;t0为产气起始时间.

图7 最终饱和度、平均产气速率与温度的关系

2.2.2 初始pH值对饱和度的影响

图8为不同初始pH值下细菌产气量随时间的变化曲线.由图可知,恒温20 ℃且培养液初始pH值为5～9时,该菌可在砂样中顺利产气.相对于中性与碱性环境下的砂样,酸性环境下砂样的产气量-时间曲线明显向右偏移,且初始pH值为5的试样具有33 h的初始停滞期,这可能是由于酸性环境对该菌的生长状态存在影响.

图9为不同初始pH值下的细菌生长曲线.由图可知,中性与碱性培养液中的细菌生长曲线较为一致,且基本在42 h后进入平台期,与图4(a)中结果类似.而酸性环境下细菌生长较为缓慢,对数期生

图8 不同初始pH值下细菌产气量随时间的变化曲线

图9 不同初始pH值下的细菌生长曲线

长速率较低,且较晚进入平台期,说明酸性环境抑制了细菌的生长代谢,前期制造缺氧环境时间过长,导致产气量-时间曲线右移或出现初始停滞期.

图10为最终饱和度、平均产气速率与pH值的关系.由图可知,中性与碱性环境下砂样的最终饱和度基本保持一致,而酸性环境下砂样的最终饱和度则有所降低,初始pH值为5的砂样的最终饱和度可达79.17%.砂样孔隙属于封闭体系,CO2滞留于孔隙中,且在水中主要存在如下2个可逆电离反应:

(3)

(4)

图10 最终饱和度、平均产气速率与初始pH值的关系

值为5,6,7,8,9时,游离态CO2中碳元素的物质的量分别占碳元素总物质的量的95.7%,69.2%,18.3%,2.8%,0.2%[14].图11为菌悬液pH值随时间变化曲线.由图可见,反硝化作用可使菌悬液pH值升高,但是酸性环境下升高幅度相对较小.酸性环境下砂样的最终饱和度较低,这可能是由于部分游离态CO2不溶于孔隙水造成的,砂样的最终饱和度随初始pH值的减小而降低.

图11 菌悬液pH值随时间变化曲线

2.3 工程应用前景

在本试验方案中,利用施氏假单胞菌可降低砂样饱和度,从而保证了该菌在工程应用中的可行性.但是微生物气泡法在实际施工时的问题不容忽视:① 菌悬液与周边孔隙水存在离子浓度梯度,导致菌悬液注入砂样后,菌悬液中的离子出现扩散,组分浓度降低,从而影响细菌的生长状态与反硝化过程;② 地下水渗流加速降低菌悬液中离子的浓度;③ 一般的反硝化培养基配方复杂,工艺繁琐,成本高.由此可见,消除前期停滞期、加快平均产气速率、缩减培养基成本成为优化关键.致力于微生物气泡处理液化研究的学者主要将脱氮假单胞菌作为研究对象[7].现将主要参数与现有微生物气法进行对比,结果见表4.由表可知,在外界条件基本类似的情况下,将该菌应用于IPS技术中可提高平均产气速率,缩短初始停滞期,缩减反硝化培养基所需试剂种类,简化工艺,节约成本.菌种、培养基、菌悬液初始光密度以及砂土类型均可能是影响初始停滞期与平均产气速率的关键因素.

表4 产气试验条件与效果对比

3 结论

2) 随着温度升高,施氏假单胞菌的平均产气速率大幅增加,砂样最终饱和度则略有升高.当温度分别为15和4 ℃时,该菌在产气方面分别存在15与18 h的初始停滞期,这可能由于温度影响细胞反硝化作用酶的活性所致.该方法的最合适温度为20～30 ℃.

3) 恒温20 ℃,中性和碱性环境下,砂样最终饱和度基本保持一致;酸性环境下,由于部分游离态CO2不融于孔隙水,砂样最终饱和度随初始pH值的减小而降低.细菌在砂样中的平均产气速率随初始pH值的下降而减小.该方法最合适的初始pH值为7～9.

4) 对比现有微生物气法,本文方法具有培养基配方简单廉价、初始停止期短、平均产气速率快等优点.

5) 本试验属于初步探究,初始条件的优化尚需进一步深入研究.

References)

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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