中国农业大学土地学院廖人宽教授课题组在合成DNA片段标记技术应用于解析混合粒径胶体迁移机制方面取得新进展

近日，中国农业大学土地科学与技术学院廖人宽教授课题组在合成DNA片段标记技术应用于解析混合粒径胶体迁移机制方面取得重要进展。相关成果在美国地球物理学会（AGU）旗下地球科学领域TOP期刊Geophysical Research Letters（Nature Index收录期刊）上发表研究论文A Synthetic DNA Labeling Approach for High-Resolution Characterization of Mixed-Size Colloid Transport in Porous Media。

胶体在多孔介质中的迁移对环境过程如地下水修复和土壤污染控制至关重要，受胶体大小、介质结构和化学条件影响。在单分散系统中，较大胶体更容易因应变滞留，移动性降低。然而，自然环境中胶体为多分散系统，颗粒间可能协同（如异聚合增强滞留）或竞争（如位点竞争促进传输），但尺寸异质性机制仍不清楚。传统测定方法，比如UV光谱法和动态光散射法DLS，无法区分混合尺寸同材质胶体，仅提供平均信号。DNA标记技术结合qPCR分析提供了强大解决方案，通过层层组装方法将特异性DNA片段包裹于不同尺寸胶体内，而不改变其表面性质，并通过qPCR量化浓度，实现精确尺寸区分（图1）。实验包括单尺寸和混合尺寸胶体注入，生成穿透曲线以表征胶体迁移行为；使用CT和SEM分别表征孔隙结构和胶体形态。

图1 DNA示踪剂的合成和表征

在混合粒径胶体注入实验中，我们获得了两组穿透曲线。一组使用紫外分光光度计（UV）测得，另一组采用qPCR技术获取。由于混合胶体中不同粒径会导致紫外信号重叠而无法区分单个胶体粒径，故UV法仅能得到一条混合胶体整体的穿透曲线（图2a.c.e.g）。通过结合DNA标记技术与qPCR，我们成功获得了0.5 µm、5 µm和0.05 µm三种混合粒径胶体清晰可辨的穿透曲线（图2b.d.f.h）。

图2 四种多孔介质中NaNO3和混合粒径胶体（0.05、0.5和5微米）的实测与拟合穿透曲线（BTC）（采用UV法与qPCR检测）

该研究进一步使用HYDRUS-1D模型量化胶体迁移行为，参数Kr用于表征胶体滞留强度，反映石英砂中沉积和应变等因素的综合影响（图3）。混合尺寸胶体注入实验中小胶体（0.05 µm）的Kr值更高（0.022-0.046 s-1），几乎是单尺寸实验的10倍，表明小胶体在混合系统中更容易滞留在多孔介质中。扫描电镜和过滤实验结果揭示了尺寸依赖性异质聚集现象，即较小胶体沉积在较大胶体表面形成聚集体，进而堵塞在孔隙中。该研究发现混合胶体运移行为无法通过单分散体系预测，高分辨率追踪对准确预测混合胶体运移至关重要。该研究为评估地下水中胶体辅助污染物迁移提供了重要理论依据。

图3 单一粒径(a)与混合粒径(b)胶体在多孔介质I、II、III和IV中颗粒直径与滞留率Kr之间的关系

中国农业大学土地科学与技术学院博士研究生王常茜为第一作者，廖人宽教授为通讯作者，研究生段兆飞、刘宇旗、廖妍羚以及美国加州大学河滨分校Jirka Šimůnek教授、复旦大学仰大勇教授为合作作者。该研究得到国家自然科学基金和新疆重点研发计划项目联合资助。