饱和多孔介质中氧化锌和二氧化钛纳米颗粒聚集体与细菌的共运移机制：实验与模型耦合研究

本研究通过柱实验与数学模型，揭示了饱和多孔介质中金属氧化物纳米颗粒（nZnO和nTiO2）与大肠杆菌（E. coli）的共运移行为。发现细菌通过形成异质聚集体（heteroaggregates）显著促进纳米颗粒迁移，同时自身运移受阻，为评估地下水纳米污染风险提供了关键机理与预测模型。

　　

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Porous medium

采用粒径范围425 μm-1.18 mm、中值直径710 μm的河砂作为多孔介质，以模拟砂质含水层环境。砂料经去离子水清洗和酸洗处理，其在1 mM NaCl背景电解质溶液（pH 8）中的zeta电位为-46.3±6.65 mV。

Individual transport of nanoparticles and bacteria in soil

纳米颗粒（或细菌）在多孔介质中的传输可用修正的一维对流-弥散方程描述，该方程考虑了颗粒在砂粒表面的沉积作用以及在狭窄孔喉处的截留效应：

θ?c_i/?t + ρ_b?s_i/?t + ρ_b?s_istr/?t = θD_Lⁱ?²c_i/?z² ? θv??c_i/?z

其中c_i [ML^-3或CFU L^-3]表示水相中纳米颗粒（或细菌）的浓度（单位水体中纳米颗粒质量或活菌数量）。

Individual transport of nZnO

图2a和2c分别展示了不同流速下nZnO的实验穿透曲线和滞留剖面。实验穿透曲线随时间呈现上升平台，表明砂粒表面沉积位点被先前附着的nZnO颗粒阻塞。曲线还具有长尾特征（图2b），表明nZnO从砂粒表面缓慢解吸。此外，滞留剖面显示超指数分布特征。

Conclusions

本研究通过柱实验和双向耦合数学模型，探讨了不同流速下金属氧化物纳米颗粒聚集体（nZnO和nTiO₂）与大肠杆菌（E. coli）在饱和多孔介质中的共运移行为。模型成功模拟了纳米颗粒与细菌的共运移过程。实验结果表明：E. coli的存在促进了nZnO和nTiO₂的运移，而纳米颗粒则延缓了E. coli的传输。纳米颗粒的增强运移主要归因于……