Mechanism of chemical-biological composite clogging of aquifer caused by Al(III) and bacteria
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摘要:
在采用人工回灌方法建设地下水库储存地下水的过程中，回灌水中三价铝[Al（Ⅲ）]和细菌共同作用下引发的化学-生物复合堵塞问题突出且复杂，然而目前对其研究较少。本研究通过渗流试验模拟人工回灌过程，探究了细菌与0.05，0.20，0.60 mg/L Al（Ⅲ）共存条件下含水层的复合堵塞机制。研究结果表明，回灌水中Al（Ⅲ）可以改变石英砂的表面形态，促使含铝化合物生成化学沉淀。Si—O—Al键的生成证明Al（Ⅲ）的加入可以引起含水层化学堵塞。回灌水中不同浓度Al（Ⅲ）对堵塞的影响机制不同。0.05，0.20 mg/L较低浓度Al（Ⅲ）对细菌活性有抑制作用，减少细菌团聚，整体上降低了对生物堵塞贡献大的菌属占比，缓解了生物堵塞。0.60 mg/L高浓度Al（Ⅲ）会刺激细菌产生胞外聚合物，将大部分分散的细菌桥联，加剧生物堵塞。石英砂表面含铝化合物片状沉积物与细菌形态明显，可见含水层发生了化学-生物复合堵塞。本研究通过深入探讨Al（Ⅲ）和细菌与堵塞效应之间的关系，可以为优化回灌过程的设计和管理提供理论基础，进而保障地下水可持续利用。
Abstract:This study investigated the chemical-biological clogging problem caused by the combined effect of aluminum trivalent [Al(Ⅲ)] and bacteria during artificial recharge processes. Laboratory-scale percolation experiments were conducted to explore the composite clogging mechanism of aquifers under the coexistence of bacteria and Al(Ⅲ) at the concentration of 0.05, 0.20, and 0.60 mg/L. The results indicate that Al(III) in the recharge water could modify the surface morphology of quartz sand and promote the chemical precipitation of aluminum-containing compounds. The formation of Si—O—Al bonds proves that the addition of Al(III) can cause chemical clogging of the aquifer. Different concentrations of Al(III) in the recharge water have different effects on clogging. Low Al(III) concentrations of 0.05 and 0.20 mg/L alleviate bioclogging by inhibiting effect on bacterial activity, reducing bacterial aggregation, and overall decreasing the proportion of bacterial genera that contribute significantly to bioclogging. In contrast, high Al(III) concentrations of 0.60 mg/L can stimulate bacteria to produce extracellular polymers (EPS), which bridge most dispersed bacteria and aggravate bioclogging. Flake deposits of aluminum-containing compounds and bacterial morphology were observed on quartz sand surface, further proving the role of Al(III) on chemical-biological complex clogging during the recharge processes. This study provides a theoretical basis for optimizing the design and management of the recharge process by improving our understanding of the relationship between Al(III), bacteria, and clogging effects, thus ensuring the sustainable utilization of groundwater.
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我国水资源短缺问题日益凸显，不仅对日常生活产生深远影响，也严重制约了国家经济发展。由于我国水资源分布不均衡，部分地区用水需求量大，工业发达地区水资源紧张，水土资源配合不协调的问题亟待解决[1 − 2]。因此，水资源的保护和可持续发展已成为当前的重要课题。
我国通常采用的蓄水方式包括地表水库与地下水库两大类[3]。这些水库的规模不尽相同，其中一些大型地下水库的水量甚至可以与一些小型地表水库相媲美，例如河北南宫地下水库，储水量可达4.6×108 m3。
地下水库需要长期稳定地储存和释放地下水，以实现水资源的合理调配和利用[4]。然而，含水层的堵塞会导致地下水流动受阻，阻碍地下水库发挥调蓄水资源的功能[5]。回灌水的水质变化引起的堵塞可以大致划分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种类型[6]。物理堵塞是指回灌水中的悬浮物、颗粒物等物质在含水层中沉积而引起的堵塞[7]。化学堵塞是指回灌水中的化学物质与含水层中的矿物质发生化学反应形成的沉淀物引起的堵塞[8]。生物堵塞是指回灌水中的微生物在含水层中繁殖引起的堵塞[9]。
当前，针对堵塞机制的研究主要集中于单一的堵塞过程或物理-生物复合堵塞过程，化学堵塞的作用机制尚不十分明晰。化学堵塞的影响十分复杂，例如回灌过程中地下水化学组成变化使含水介质表面发生沉淀或溶解等一系列化学反应，影响细菌在含水介质上的生长和积累，对生物堵塞造成影响[10]。此外，回灌水中某些金属元素可能会与细菌分泌物发生反应，生成一些难溶物质，逐渐积累在含水介质内部，继而形成化学-生物堵塞[11]。因此，为了更好地理解化学-生物堵塞的发生过程，需要进一步分析化学因素在生物堵塞中的作用，从而更好地解决地下水人工回灌过程中的堵塞问题，提高地下水库的运行效率和使用寿命。
地下水库修建过程中多引用地表水源进行人工回灌，回灌水体的水质会引起地下水化学性质变化，从而影响含水层矿物溶解-沉淀平衡等过程[12]。因此，地表水源引用前需要进行预处理，以防止污染地下水体。处理过程中通常选择絮凝剂、混凝剂等含有三价铝[Al（Ⅲ）]的化学药剂。Al（Ⅲ）在工业废水和农田排水中广泛存在，在许多化学反应中扮演着关键角色，可以影响地下水的酸碱度，进而影响整个水文循环[13]。一般情况下，地下水中可溶性的Al（Ⅲ）含量不高，但添加的絮凝剂、混凝剂等会使水体中Al（Ⅲ）的浓度明显增加[14]。
Al（Ⅲ）可以与含水层中的有机物、黏土矿物或碳酸钙沉积物相互作用，形成有机物-铝络合物、铝-黏土矿物复合物或铝-碳酸钙复合物，这些物质沉积在含水层的孔隙中，降低水的渗透性导致堵塞[15]。同时，回灌水与地下水的温度及pH值存在差异，会导致Al（Ⅲ）的氢氧化物过饱和，形成沉淀造成堵塞[16]。此外，Al（Ⅲ）可以与生物分子如蛋白质、核酸等相互作用，影响其结构和功能，进而影响细菌的生长和繁殖[17]。例如，Jeong等[18]发现Al（Ⅲ）可以抑制某些酶的活性，从而影响细菌的新陈代谢和生长。Cui等[19]发现细菌在含水介质表面的聚集导致局部pH值增加，促使可溶性二氧化硅释放到水溶液中。综上所述，回灌水中Al（Ⅲ）浓度变化对堵塞的影响涉及多个方面，探究其对堵塞的影响机制对堵塞的防治有重要意义。
本研究通过一维渗流试验模拟回灌过程，探讨了Al（Ⅲ）和细菌共同作用下饱和多孔介质渗透性变化及砂柱中化学和生物沉积特征，进而探究化学-生物复合堵塞作用机制，旨在为解决实际工程中的堵塞问题提供理论依据和技术支持。
1. 材料和方法
1.1 试验装置
渗流试验装置主要由渗流柱、供水箱、出水箱、蠕动泵、测压板5部分组成（图1）。渗流柱由有机玻璃制成，长16 cm，内径为2.5 cm。玻璃柱右侧自上而下分布有6个测压孔，与测压板相连接。
1.2 试验材料
（1）含水介质
筛选0.5～0.8 mm粒径的标准石英砂。将砂样进行预处理：分别在0.25 mmol/L的HCl、NaOH溶液中浸泡持续24 h，将砂样洗净烘干放入马弗炉中，550 °C下灼烧120 min（以避免砂样表面残留的有机质对试验产生影响）。
（2）接种菌悬液的制备
本试验细菌取样自青岛市大沽河。配制液体培养基（蛋白胨1.00 g/L，牛肉膏0.50 g/L，NaCl 0.50 g/L），调节pH值至7.2后进行灭菌处理。灭菌完成后每1 L液体培养基中加入100 mL菌样，于摇床中（37 °C、160 r/min）进行培养。培养完成后收集细胞体，悬浮于无菌NaCl溶液中制备菌悬液。
（3）Al（III）溶液配制
所需Al（III）由AlCl3•6H2O（天津光福精细化学研究所，中国）提供。Al（III）浓度选取0.05，0.20，0.60 mg/L，分别是中国、美国国家饮用水质量标准中的最高限值，以及回灌水中典型的Al（III）浓度，本文采用Al（0.05）、Al（0.20）、Al（0.60）作为0.05，0.20，0.60 mg/L的Al（III）的简称。
（4）回灌水的配制
具体成分质量浓度如下：葡萄糖为50.00 mg/L，NH4Cl 为5.00 mg/L，K2HPO4为1.00 mg/L，NaCl为0.50 mg/L，MgSO4•7H2O为45.00 mg/L，CaCl2•2H2O为20.00 mg/L，以及1 mL微量元素溶液。微量元素溶液成分质量浓度如下：FeSO4•7H2O为2.00 mg/L，CuSO4•5H2O为0.40 mg/L，MnSO4•6H2O 为0.04 mg/L，Na2MoO4•2H2O为0.04 mg/L以及H3BO3 为2.00 mg/L。
1.3 试验方案
试验组设计如表1所示。
表 1 试验组设计Table 1. Design of the test group试验组 ρ（Al） /（mg·L−1） 细菌（Bacteria, B） 对照组（control groundwater，CG） 0 No Al（0.05） 0.05 No Al（0.20） 0.20 No Al（0.60） 0.60 No B 0 Yes Al（0.05）+B 0.05 Yes Al（0.20）+B 0.20 Yes Al（0.60）+B 0.60 Yes 注：ρ表示质量浓度；Yes表示试验组中添加细菌；No表示试验组中未添加细菌。 称取预处理的砂样110 g填入渗流柱中。在渗流柱的底部，固定水头以缓慢的速度通入经过灭菌处理的水，持续24 h。
计算含水介质的渗透系数（K）为：
K=QLAΔH (1) 式中：Q——渗流量/（mL·s−1）；
A——砂柱的横截面积/cm2；
ΔH——含水介质的水头差/cm；
L——含水介质的渗流距离/cm。
其中，将含水介质初始渗透系数记为K0，计算含水介质相对渗透系数（K'）为：
K′=K/K0 (2) 待渗流柱的渗透系数稳定后，以固定水头流速从渗流柱底部连续12 h缓慢通入菌悬液后静置12 h。采用蠕动泵固定水头，将配制的回灌水通入渗流柱，模拟人工回灌含水层的过程。每隔1 h读取出水口流量以及测压板数值，根据式（2）计算该时间点相对渗透系数，在K′=0.2时结束试验。每个试验组至少进行3次平行试验，以确保试验结果可靠性。
1.4 分析方法
1.4.1 细菌数量和胞外聚合物的测定
（1）细菌数量的测定
采用流式细胞仪（flow cytometry，FCM）测定细菌数量。将提取的细菌溶液（1 mL）用SYBR Green I[10 μL，染料∶二甲基亚砜（DMSO）为1∶100 V/V]染色，避光静置15 min后上机测样。
（2）胞外聚合物含量的测定
采用甲醛-NaOH方法提取砂样中胞外聚合物（extracellular polymers，EPS）。多糖和蛋白质分别根据苯酚-硫酸法[20]和改良的Lowry法测定，EPS含量由多糖和蛋白质含量相加所得。
1.4.2 堵塞物质含量测定
试验结束后收集砂样测定堵塞物质成分。先将砂样在烘箱105 °C下干燥，烘干水分。于马弗炉中550 °C下灼烧120 min，重量减少的部分为细菌引起堵塞的生物成分含量。与初始砂样重量对比，变化的部分为Al（Ⅲ）水解生成的化学沉淀量。
1.4.3 扫描电镜
将砂样浸泡在质量浓度为4%的戊二醛固定液中，于4 °C冰箱静置24 h；再将砂样取出并于−40 °C下真空冷冻干燥2～3 d。将样品送至科学指南针检测机构进行检测。
1.4.4 Zeta电位的测定
采用Zeta电位仪测定石英砂表面电荷变化。使用研钵将石英砂研磨成细颗粒（<5 μm），加入Al（Ⅲ）溶液，混合均匀后，静置储存。每个样品测量3次取平均值，并利用IBM SPSS Statistics 25.0软件对数据进行独立样本t检验以评估数据显著性差异。样品委托科学指南针检测机构进行检测。
1.4.5 XPS光电子能谱分析
试验结束后收集5 g砂样依次加入5 mL的灭菌磷酸盐缓冲溶液（PB，10 mmol/L，pH=7.2）和1 g玻璃珠（<2 mm），之后用涡旋振荡器振荡1 min，在真空冷冻干燥机−40 °C条件下干燥30～36 h。收集堵塞物质进行XPS光电子能谱分析。试验委托科学指南针检测机构完成。使用Avantage软件对测试数据进行校正。
1.4.6 细菌群落分析
采用高通量测序技术测定砂样中细菌的群落结构。收集细菌样品的DNA，取30 ng用于聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）扩增，所得PCR扩增产物经2%琼脂糖凝胶电泳检测，使用目标区域扩增结合Illumina MiSeq测序仪对DNA插入片段进行双端测序。样品委托上海美吉生物医药科技有限公司检测。
2. 结果
2.1 Al（Ⅲ）投加量对含水层渗透性的影响
当回灌水中只含有0.05，0.20，0.60 mg /L不同浓度Al（Ⅲ）时，渗流柱整体相对渗透系数随时间的变化规律如图2（a）所示。研究表明，随着回灌的进行，相对渗透系数呈现下降趋势，与未添加Al(Ⅲ)的对照组相比，回灌水中添加Al(Ⅲ)后含水层的渗透性明显降低，且Al(Ⅲ)浓度越高，相对渗透系数降低得越快。
当回灌进行到36 h时，CG、Al（0.05）、Al（0.20）和Al（0.60）组的相对渗透系数分别为0.99，0.91，0.75，0.21。可知回灌水中的Al（Ⅲ）会造成含水层堵塞，且堵塞程度与Al（Ⅲ）浓度呈正相关。
当Al（Ⅲ）和细菌同时存在时，砂柱的渗透性变化更加显著（图2b）。当回灌进行至11 h时，堵塞程度由高到低依次为Al（0.60）+B组、B组，Al（0.20）+B组和Al（0.05）+B组，相对渗透系数分别为0.25，0.31，0.54，0.63。同样，各试验组的相对渗透系数降低为0.2所用时间分别为12，13，17，18 h。Al（0.60）+B组的相对渗透系数下降速度高于B组，说明高浓度的Al（Ⅲ）和细菌具有协同作用，加速了堵塞的发生。而Al（0.05）+B组和Al（0.20）+B组相对渗透系数下降速度慢于B组，表明低浓度的Al（Ⅲ）一定程度上缓解了细菌所造成的含水层生物堵塞。
2.2 砂柱中细菌数量变化
细菌引起生物堵塞的形式包括细菌繁殖分泌胞外聚合物或细菌吸附至含水介质表面等[21]。各试验组相对渗透系数降为0.2时含水介质各层中的细菌数量如图3所示。
所有组别在砂柱表层（0～2 cm）的细菌数量都明显多于其他各层，这说明细菌主要在含水介质表层沉积，致使堵塞主要发生在表层，与Li等[22]研究相符。
Al（0.60）+B组各层的细菌数量明显高于B组，说明高浓度Al（Ⅲ）可以促进细菌的团聚和在介质表面的沉积，加剧生物堵塞，进一步形成化学-生物复合堵塞。而Al（0.05）+B和Al（0.20）+B组不同层的细菌数量相当，且均低于B试验组，表明低浓度的Al（Ⅲ）会减少细菌在含水介质上的沉积，使砂柱中细菌数量减少，从而缓解堵塞。
2.3 砂柱中EPS含量变化
EPS是一种由细菌分泌的黏性物质，具有很强的黏附性，不仅自身能够黏附在含水介质上，还能促使细菌在含水介质中的黏附。有研究表明，EPS在含水介质中的积累是生物堵塞的主要原因之一[23] 。
回灌结束后砂柱不同层EPS 含量见图4（a），取不同层EPS含量平均值得到整个砂柱EPS平均含量见图4（b）。砂柱不同层EPS含量随着入渗深度的增加逐渐减少（图4a），这与细菌数量的变化趋势相一致（图3），但Al（0.60）+B组和B组之间不同层的EPS含量差异比细菌数量的差异更大，这是因为渗流过程中EPS和细菌的动态变化特征不同。
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图 4 不同浓度Al（Ⅲ）存在时砂柱中的EPS含量Figure 4. EPS content in the sand columns at different Al(Ⅲ) concentrationsEPS是具有黏性的物质，可将细菌包裹在内形成生物膜，附着在含水介质表面造成生物堵塞[24]。Al（Ⅲ）质量浓度为0，0.05，0.20，0.60 mg/L时，对应EPS平均含量分别为56.5，48.3，50.9，58.8 µg/g砂（图4b）。Al（0.60）+B组含水介质中的EPS含量明显多于其他各组，这与堵塞程度高低的结论相呼应（图2b），可见砂柱中发生了严重的堵塞。
化学物质（某些金属元素）可能对细菌活性产生促进或抑制作用[25]。即部分物质可能会促进细菌分泌物的生成，而另一些可能会抑制细菌分泌物的分解[26]。
结合各试验组堵塞程度的差异可以判断不同浓度Al（Ⅲ）对细菌活性存在不同程度的刺激作用，Al（0.20）和Al（0.05）两组的细菌数量相当（图3），但Al（Ⅲ）浓度越低EPS的分泌量越少，说明低浓度的Al（Ⅲ）（0.05 mg/L及0.20 mg/L）对细菌活性起抑制作用，可以在一定程度上减少EPS的分泌，从而缓解生物堵塞。而Al（0.60）+B组较多的EPS在含水介质中聚集会引起更为严重的生物堵塞，即高浓度的Al（Ⅲ）（0.60 mg/L）会加剧生物堵塞。并且Al（Ⅲ）与细菌共同作用下可以进一步引起化学-生物复合堵塞。
3. 讨论
3.1 Al（Ⅲ）与石英砂之间的相互作用
Al（Ⅲ）与石英砂之间的静电相互作用是影响Al（Ⅲ）在含水介质中行为特征的重要因素。为了探究Al（Ⅲ）与石英砂之间的相互作用，测定了Al（Ⅲ）存在时石英砂的Zeta电位，并对试验结束后砂样的堵塞物质进行XPS光电子能谱分析。
添加了Al（Ⅲ）的石英砂试验组Zeta电位变化显著（P<0.05），由−35.3 mV增加为23.7 mV。石英砂表面含有大量的亲水性羟基基团，主要以带负电荷的Si-O为主[16]。对回灌结束后的砂样进行XPS光谱分析后可知，石英砂中添加Al（Ⅲ）后，Al（0.60）的含氧官能团羟基（287.48 eV处新峰）和羧基（531.78 eV处新峰）与石英砂的Si/Al—OH之间发生了化学吸附，产生Si—O—Al新键，继而形成硅铝酸盐[Si—O—Al（OH）n]，可见Si—O—Al的生成是Al（Ⅲ）引起含水层化学堵塞的关键。并且Al（Ⅲ）使石英砂表面带正电荷，有效地提高了石英砂对细菌的吸附能力，增加化学-生物复合堵塞风险。
3.2 堵塞物质成分
由图5可知，在仅有Al（Ⅲ）存在的试验组中，造成砂柱堵塞的物质主要为Al（Ⅲ）水解生成铝的氢氧化物，此过程主要发生化学堵塞且生成的堵塞物质含量与Al（Ⅲ）浓度成正比，说明Al（Ⅲ）浓度越高化学堵塞越严重，这与Al（Ⅲ）投加量对含水层渗透性影响的试验结果一致。
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图 5 不同试验组砂柱中堵塞物质的含量Figure 5. Contents of blocked substances in sand columns of different experimental groups在含有细菌的试验组中，堵塞物质中生物成分含量较高，引起生物堵塞的物质多为细菌与细菌繁殖分泌的EPS[9]。Al（0.60）+B试验组的生物量最高，上述研究也显示Al（0.60）+B组EPS含量最多（图4），表明0.60 mg/L Al（Ⅲ）会加剧生物堵塞，形成化学-生物复合堵塞。相比之下，Al（0.20）和Al（0.05）两组的生物量较B组有所减少，说明较低浓度Al（Ⅲ）对细菌活性存在抑制作用，并减少了细菌团聚和EPS的积累，即缓解生物堵塞。
从堵塞物质成分的角度评估各试验组可知，只添加Al（Ⅲ）的试验组造成堵塞的物质主要为含铝化合物沉淀，即在砂柱中形成了化学堵塞。在同时添加了细菌和Al（Ⅲ）的试验组中，一部分堵塞物质为Al（Ⅲ）水解生成的化学沉淀，其余堵塞物质大都为生物成分，砂柱中生物、化学堵塞都存在，即形成了化学-生物复合堵塞。这与砂柱中EPS含量变化的试验结果一致。
3.3 含水介质表面形态变化
细菌及Al（Ⅲ）在含水介质中沉积，可能导致介质表面形貌变化，通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）可直观观察含水介质的表面微观形态[27]。回灌前后石英砂表面形态如图6所示。
回灌前，石英砂表面光滑，未覆盖任何物质（图6a）。回灌后，石英砂表面形态发生了明显变化。由B试验组的SEM图（图6b）可以看出，含水介质表面附有细菌，细菌呈团聚状态，且其分泌物形成致密的生物膜，从图中可以明显看出黏结，颗粒之间的桥接表明颗粒周围有某种EPS/生物量/矿物的形成[27]。 由Al（0.20）+B组SEM图（图6c）可以清晰看到石英砂表面细菌比较分散，没有出现明显的团聚现象。从而可以得出0.20 mg/L Al（Ⅲ）具有抑制细菌繁殖和分泌EPS的能力，从而缓解生物堵塞。
Al（0.60）+B试验组（图6d）的含水介质表面形成了大量片状沉积物，少见颗粒态物质，证明含铝化合物水解生成化学沉淀附着在生物膜表面造成化学堵塞。同时，含水介质表面杆状菌形态突出，呈明显团聚状态，比对照组B组的表面沉积物更加聚集，进一步证实0.60 mg/L Al（Ⅲ）可以促进细菌活性，分泌更多的EPS，加剧生物堵塞。
3.4 细菌群落结构
细菌群落结构的变化通常被认为是细菌对特定环境的反应。因此，表征细菌群落的多样性将有助于更好地了解人工回灌过程中细菌的行为，从而研究生物堵塞的发展过程。
（1）细菌群落组成的空间差异
基于4个样本的主成分分析结果见图7。Al（0.05）+B和Al（0.20）+B组与B组的位置相距较远，说明添加低浓度的Al（Ⅲ）（0.05 mg/L及0.20 mg/L）后，细菌的群落结构发生了显著变化。反之，Al（0.60）+B组与B组的位置十分接近，说明Al（0.60）+B组与B组之间的细菌群落结构相似，反映了不同浓度的Al（Ⅲ）对细菌群落结构影响的差异性。
（2）细菌群落的Alpha多样性
细菌群落的丰富度和多样性如表2所示。堵塞会导致含水介质内的物理和化学特性变化，从而影响细菌群落的结构。
表 2 Alpha多样性指数Table 2. Alpha diversity index试验组 Chao Shannon Simpson B 170.45 1.37 0.51 Al（0.05）+B 200.78 2.49 0.15 Al（0.20）+B 171.34 1.95 0.26 Al（0.60）+B 167.00 1.21 0.53 注：Chao、Shannon和Simpson为不同的Alpha多样性指数。 在本研究中，所有样本中的覆盖率（coverage）均超过0.999，说明微生物群落结构的结果高效且准确。Chao指数能够客观反映微生物群落结构的丰富程度。Shannon和Simpson指数用于表征细菌群落的复杂度和多样性[28]。
对各试验组进行对比分析可知，相较于B组，Al（0.60）+B组的Chao等指数明显偏低，而Al（0.05）+B和Al（0.20）+B组的Chao指数则更高。进一步观察Shannon和Simpson指数可知，Al（0.60）+B组比B组低，Al（0.05）+B和Al（0.20）+B组则比B组高。这表明，Al（0.60）的加入使细菌群落结构的丰富度和多样性降低；低浓度的Al（Ⅲ） （0.05 mg/L及0.20 mg/L）一定程度上提高了细菌群落丰富度和多样性。
（3）属水平细菌群落组成
属水平上主要细菌群落的组成如图8所示。各试验组细菌群落结构差异显著。B组细菌群落中克雷伯氏菌占70%、假单胞菌占9.9%、芽孢杆菌占6.1%、不动杆菌占3.8%。Al（0.60）+B组的优势菌为克雷伯氏菌（71.6%），但芽孢杆菌增加至7.3%。芽孢杆菌对外界有害因子抵抗力强。
添加0.60 mg/L Al（Ⅲ）后，芽孢杆菌的数量增多，以抵御Al（Ⅲ）对细菌的毒害作用，维持细菌活性加剧生物堵塞，且以往的研究表明芽孢杆菌能产生大量EPS[15]。因此可将大部分分散细菌桥联，加剧生物堵塞。
添加0.05，0.20 mg/L Al(Ⅲ)后，细菌群落中不动杆菌的含量虽增多，但克雷伯氏菌的含量大幅度减少。有研究表明不动杆菌具有较强的黏附性，在生长过程中会产生大量丝状体，占据空隙体积造成生物堵塞[29]；克雷伯氏菌在低营养条件下依旧能生长繁殖，且因运动能力差容易在介质上附着[9]。两类细菌都能通过黏附在含水介质上，造成孔隙堵塞的方式加剧生物堵塞。但克雷伯氏菌的群落相对丰度下降的幅度更大，整体上降低了对生物堵塞贡献大的菌属的占比，进而缓解了生物堵塞。这与表2中 Alpha多样性指数显示的结果相呼应。
4. 结论与展望
（1）Al（Ⅲ）引起了含水层化学堵塞。随着回灌的进行含水层相对渗透系数呈现下降趋势，且Al（Ⅲ）浓度越高渗透系数降低得越快。Al（Ⅲ）的加入改变了石英砂表面形态，促使含铝化合物水解生成化学沉淀，Si—O—Al键的生成证明Al（Ⅲ）可以引起含水层化学堵塞。
（2）低浓度的Al（Ⅲ）（0.05 mg/L及0.20 mg/L）可以引起化学堵塞，但对细菌活性有抑制作用，减少细菌在石英砂表面的团聚。且整体上降低了对生物堵塞贡献大的菌属（不动杆菌和克雷伯氏菌）的占比，一定程度上缓解了生物堵塞。
（3）高浓度的Al（Ⅲ）（0.60 mg/L）不仅可以造成更严重的化学堵塞，还会增加生物堵塞风险，试验得出细菌数量和EPS含量明显增加，直接影响生物膜的形成，继而加剧生物堵塞。
（4）同时添加了Al（Ⅲ）和细菌的试验组，石英砂表面形成片状沉积物和杆状菌聚集，除小部分堵塞物质为Al（Ⅲ）水解生成的化学沉淀外，其余大部分为生物成分，砂柱中生物堵塞、化学堵塞都有发生，造成了化学-生物复合堵塞。
在未来的地下水库建设中，应充分考虑Al（Ⅲ）、细菌之间的相互作用对地下水渗透过程的影响，适当采取相应措施控制Al（Ⅲ）的浓度，降低人工回灌工程中化学-生物复合堵塞发生的风险。
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图 4 不同浓度Al（Ⅲ）存在时砂柱中的EPS含量
Figure 4. EPS content in the sand columns at different Al(Ⅲ) concentrations
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图 5 不同试验组砂柱中堵塞物质的含量
Figure 5. Contents of blocked substances in sand columns of different experimental groups
表 1 试验组设计
Table 1 Design of the test group
试验组 ρ（Al） /（mg·L−1） 细菌（Bacteria, B） 对照组（control groundwater，CG） 0 No Al（0.05） 0.05 No Al（0.20） 0.20 No Al（0.60） 0.60 No B 0 Yes Al（0.05）+B 0.05 Yes Al（0.20）+B 0.20 Yes Al（0.60）+B 0.60 Yes 注：ρ表示质量浓度；Yes表示试验组中添加细菌；No表示试验组中未添加细菌。 
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表 2 Alpha多样性指数
Table 2 Alpha diversity index
试验组 Chao Shannon Simpson B 170.45 1.37 0.51 Al（0.05）+B 200.78 2.49 0.15 Al（0.20）+B 171.34 1.95 0.26 Al（0.60）+B 167.00 1.21 0.53 注：Chao、Shannon和Simpson为不同的Alpha多样性指数。
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