有机污染场地生物降解过程的低成本高效定量刻画是当前污染场地自然衰减修复管控的前沿和难点。传统调查方法主要依赖于监测井和钻孔的取样分析，但野外原位监测过程中钻孔数量有限且取样分散，容易导致污染物生物降解效率的误判。近年来，水文地球物理方法因其具有非入侵、实时监测、快速高效等优势受到广泛关注。其中，频谱激发极化法（Spectral Induced Polarization, SIP）是传统电阻率方法的延伸和扩展，具有同时测量介质导电（同相电导率）和储存电荷（异相电导率）的能力，该方法对微生物活性敏感，在污染物生物降解过程的原位监测中极具潜力。
对细菌生长过程的准确监测是决定有机物生物降解效果的重要前提。细菌生长包括细菌数量变化以及形成微菌落两个阶段，以往研究多通过批实验和石英砂介质实验探讨革兰阴性菌数量与SIP信号的关系。然而，含粘土介质中不同菌种的数量以及微菌落的形成对SIP信号的影响机制仍有待研究。
为解决上述问题，施小清教授课题组采用室内实验结合模型解译的方法，深入揭示含粘土介质中不同菌株数量以及微菌落形成对SIP信号的影响。首先基于SIP方法监测铜绿假单胞菌和短芽孢杆菌在含粘土介质中的生长和衰亡过程（实验装置见图1），并结合原位取样获取实验过程中细菌数量的变化，建立含粘土介质中不同菌株的数量与异相电导率之间的线性关系（图2）。进一步结合异相电导率岩性物理模型，揭示了细菌自身的阳离子交换容量和在多孔介质中所占的质量分数是决定异相电导率大小的关键因素。细菌生长过程中形成的微菌落会改变多孔介质中的孔隙结构。本研究中首次使用可以区分与细菌有关的低频极化和高频极化的双Cole-Cole模型来解译SIP数据，结果显示弛豫时间与微菌落厚度变化趋势一致，这是由于多孔介质中微菌落的存在（图3）增加了极化长度，从而影响弛豫时间。本研究阐明了细菌生长过程对SIP信号的影响机制，为SIP方法在监测生物降解有机物过程中提供了理论基础。
图1. 频谱激发极化法监测细菌生长和衰亡过程的实验装置图
图2. （a）实验过程中细菌数量和异相电导率随时间变化，以铜绿假单胞菌（PAO1）为例；（b）不同菌株数量与异相电导率之间的线性关系
图3. （a）和（b）为微菌落包裹在土壤颗粒表面和连接土壤颗粒；（c）为多孔介质中微菌落结构3D示意图
上述系列研究成果近期以“Spectral induced polarization response of bacteria growth and decay in soil column experiments”为题，发表在地球科学领域权威期刊Journal of Geophysical Research-Biogeosciences上。太阳官网博士研究生宋亚霖为论文第一作者，施小清教授为通讯作者，太阳集团tyc539为第一署名单位，合作者包括法国国家科学研究中心EDYTEM实验室André Revil教授，法国Naga Geophysics 研究所Ahmad Ghorbani博士，太阳集团tyc539吴吉春教授和康学远博士等。该项研究工作得到了国家重点研发计划课题（2022YFC3703101）和国家自然科学基金（42472318，41977157，42202267）的联合资助。课题组前期已探究了含粘土介质中铜绿假单胞菌与SIP信号之间的定量关系，并构建了模型推估铜绿假单胞菌在原位土柱中的生长动力学参数（Song et al., 2022），本研究在此基础之上进一步探究了粘土介质中不同菌种数量以及细菌生长过程中微菌落的形成对SIP信号的影响机制。
论文信息：
[1] Song, Y., Shi, X., Revil, A., Ghorbani, A., Qiang, S., Xing, Kun., Kang, X., Wang Q., Wu, J. (2024). Spectral induced polarization response of bacteria growth and decay in soil column experiments. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences,129(12), e2024JG008050. http://dx.doi.org/10.1029/2024JG008050
[2] Song, Y., Shi, X., Revil, A., & Kang, X. (2022). Monitoring in situ microbial growth and decay in soil column experiments by induced polarization. Geophysical Research Letters, 49(16), e2021GL097553.https://doi.org/10.1029/2021GL097553.
文：宋亚霖
