1:1型电解质引发“细菌—高岭石”混合胶体凝聚的动力学研究

发布时间：2020-04-18 00:06

【摘要】：离子特异性效应又称Hofmeister效应,大量的研究表明其广泛存在于土壤胶体的凝聚过程和微生物的生长过程中。土壤胶体与微生物的相互作用影响着土壤中微生物膜的形成、土壤团聚体的形成和稳定、元素循环、矿物的风化等诸多地球化学过程。本研究选用革兰氏阴性细菌恶臭假单胞菌和革兰氏阳性细菌苏云金芽孢杆菌作为实验菌株,以高岭石胶体作为土壤矿物质胶体,借助动态静态激光散射仪和Zeta电位分析仪等仪器,在DLVO理论的指导下研究了“细菌-高岭石”混合胶体的凝聚动力学过程。本研究获得了以下的研究成果:(1)恶臭假单胞菌和苏云金芽孢杆菌的水动力学直径为961.2和1286.6 nm。在0.3g/L的细菌悬液中即使加入450 mmol/LLiNO_3、700 mmol/LKNO_3、900mmol/LCsNO_3的电解质,仍未见细菌悬液发生凝聚。(2)高岭石胶体(细菌含量为0%的“细菌-高岭石”混合胶体)、“恶臭假单胞菌-高岭石”混合胶体、“苏云金芽孢杆菌-高岭石”混合胶体在LiNO_3、KNO_3、CsNO_3这三种电解质作用下的胶体凝聚过程中表现有强烈的离子特异性效应。具体表现有四点:第一,相同细菌含量的混合胶体在相同浓度不同种类的电解质作用下,经过相同的凝聚时间混合胶体最终的凝聚体大小遵循LiNO_3KNO_3CsNO_3。例如,对于“恶臭假单胞菌-高岭石”当细菌含量为3.33%且电解质浓度为20 mmol/L时,Li~+、K~+、Cs~+的凝聚体大小分别为3374.2、3292.8、3777.8 nm;对于“苏云金芽孢杆菌-高岭石”分别为504.9、2206、2731.4 nm。第二,相同细菌含量的混合胶体在相同浓度不同种类的电解质作用下胶体的凝聚速率遵循LiNO_3KNO_3CsNO_3。例如对于“恶臭假单胞菌-高岭石”当细菌含量为3.33%且电解质浓度为5mmol/L时,Li~+、K~+、Cs~+的凝聚速率分别为48.2、34.9、80.5 nm/min;对于“苏云金芽孢杆菌-高岭石”分别为1.2、17.5、55.3 nm/min。第三,相同细菌含量的混合胶体在不同种类的电解质作用下,混合胶体最终的临界聚沉浓度遵循LiNO_3KNO_3CsNO_3。例如对于“恶臭假单胞菌-高岭石”,当细菌含量为3.33%时,Li~+、K~+、Cs~+的临界聚合浓度分别为18.7,16.7和9.4 mmol/L;对于“苏云金芽孢杆菌-高岭石”分别为83.5、27.2、11.6 mmol/L。第四,相同细菌含量的混合胶体在相同浓度不同种类的电解质作用下,混合胶体的凝聚活化能遵循LiNO_3KNO_3CsNO_3,例如对于“恶臭假单胞菌-高岭石”,当细菌含量为3.33%且电解质浓度为5mmol/L时,Li~+、K~+、Cs~+的活化能分别为1.5、1.4、0.7 kJ/mol;对于“苏云金芽孢杆菌-高岭石”分别为4.5、2.1、0.9 kJ/mol。(3)细菌含量的增加会导致“细菌-高岭石”混合胶体的稳定性得到增强。这种稳定性增强具体表现为两点:第一,不同细菌含量的混合胶体在同种类同浓度的电解质作用下,经过相同的凝聚时间混合胶体最终的凝聚体大小与细菌的含量成反比。例如对于“恶臭假单胞菌-高岭石”,在LiNO_3浓度为100 mmol/L时,细菌含量为3.33、6.67、16.67、33.33、50%的混合凝聚体大小为3932.5、3979.8、2477.7、604.1、464.3 nm;对于“苏云金芽孢杆菌-高岭石”分别为2337.1、2410.2、1808、2041.4、1432.8、1215 nm。第二,不同细菌含量的混合胶体在同种类同浓度电解质作用下,混合胶体的凝聚活化能与细菌的含量成正比。例如,在LiNO_3浓度为5 mmol/L时,恶臭假单胞菌含量为3.33、6.67、16.67%的混合胶体的凝聚活化能分别为1.5、2.6、3.9 kJ/mol;苏云金芽孢杆菌含量为3.33、6.67、16.67、33.33%的混合胶体的凝聚活化能分别为4.5、3.8、2.1、2.0 kJ/mol。(4)细菌与高岭石混合体系中的聚合行为由体系的静电力和分子力的平均效应决定,而不是由细菌或高岭石各自决定。这一发现为研究“细菌-粘土”混合体系的聚合行为提供了重要的方法学指导。(5)恶臭假单胞菌和苏云金芽孢杆菌其组成对“细菌-高岭石”混合胶体的改变是有差异的。实验表现为:对于“恶臭假单胞菌-高岭石”混合胶体,在同种电解质作用下,混合胶体的临界聚沉浓度随恶臭假单胞菌含量的增多而明显增大;对于“苏云金芽孢杆菌-高岭石”混合胶体,在同种电解质作用下,混合胶体的临界聚沉浓度随苏云金芽孢杆菌含量的增多先是增大,随后保持不变。进一步理论和计算分析发现,恶臭假单胞菌含量的增加导致了“恶臭假单胞菌-高岭石”混合胶体的总体Hamaker常数的显著降低。苏云金芽孢杆菌含量的增加导致了“苏云金芽孢杆菌-高岭石”混合胶体的总体Hamaker常数先降低随后保持不变。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154.3

【参考文献】