生物矿化作用影响饱和多孔介质中细菌及细胞相关纳米粒子的迁移

《Environmental Science & Technology》：Biomineralization Influences the Transport of Bacteria and Cell-Associated Nanoparticles in Saturated Porous Media

　　

摘要

了解细菌在多孔介质中的迁移与命运对于有效的生物修复和水质管理至关重要。尽管细菌能够催化多种纳米颗粒的转化，但生物矿化如何影响细菌的移动性仍不清楚。本研究发现，与不同的生物源性纳米颗粒结合能够通过改变细菌的存活率、表面电位或疏水性，从而提升Shewanella oneidensis MR-1细胞在石英砂柱中的迁移能力。此外，银纳米颗粒的生物矿化作用增强了这些细胞的外界电子传递能力、能量迁移能力以及氧化还原反应能力，但却降低了它们在含磁黄铁矿和针铁矿涂层柱子中的移动性。醌类物质作为电子载体，通过促进能量迁移来增加细胞在矿物涂层柱子中的沉积；而天然腐殖酸则通过静电排斥作用帮助细胞突破障碍。对于非生物源银纳米颗粒，负向的能量迁移反应会增强细胞的突破能力并产生明显的阻滞效应，在裸沙柱中尤为明显。非生物源银纳米颗粒的负向趋化作用与磁黄铁矿的正向能量迁移作用共同促进了原始MR-1细胞的迁移，但却限制了经银纳米颗粒矿化处理后的细胞的迁移。经银纳米颗粒矿化处理后的细胞在磁黄铁矿涂层柱子中更易被保留，这进一步使得银纳米颗粒可以通过微生物将磁黄铁矿转化为磁铁矿而被固定下来。相比之下，留在针铁矿涂层柱子中的与细胞结合的银纳米颗粒，可能通过生物还原作用使针铁矿溶解而重新以纳米颗粒形式释放，或者通过针铁矿氧化变为Ag⁺，从而增加银元素扩散的风险。