微氧生物亚铁氧化及其重金属固定效应研究进展

铁的生物地球化学循环对于多种环境过程至关重要,如碳封存、温室气体排放以及营养元素和有毒金属的迁移和转化。近年来,随着分离培养方式及分子生物学方法的发展,作为铁循环的重要组成部分的微氧生物铁氧化的研究取得了显著的进展。微氧型亚铁氧化菌广泛分布于近中性环境中,其分离栖息地从地下水、湿地、溪流延展至深海环境。微氧生物亚铁氧化成矿过程主要发生在细胞表面,生成比表面积较大的无定型铁氧化物。大部分微氧型亚铁氧化菌通过形成鞘状或螺旋柄状结构的胞外多聚物吸附生成的铁氧化物,防止自身被铁氧化物包埋,导致无法正常代谢而死亡。亚铁氧化成矿过程可吸附和共沉淀重金属元素,降低重金属的移动性和生物可利用性,从而缓解重金属的污染,为治理环境污染提供新的思路。文章主要总结了近年来国内外对嗜中性微氧型亚铁氧化菌的研究进展,包括其代谢特征、种类及分布、以及亚铁氧化菌的成矿机制和成矿过程对重金属迁移转化的影响。最后对如何快速有效地分离微氧型亚铁氧化菌、明确成矿过程中的特殊结构的形成机制等问题进行了讨论和展望。

硝酸盐依赖型亚铁氧化研究进展

传统生物反硝化受限于废水中碳源的不足导致总氮去除率低,在实际处理中需要额外投加碳源。硝酸盐依赖型亚铁氧化(NDFO)作为一种经济且无二次污染的自养反硝化技术,可有效应对进水碳源不足的问题。本文总结了NDFO反应原理与NDFO功能微生物,通过阐述乙酸盐对NDFO的影响以及NDFO与Feammox的耦合,综述了NDFO的脱氮强化措施。

太湖沉积物硝酸盐依赖亚铁氧化性能研究

采集太湖不同区域的沉积物进行厌氧培养,利用高通量测序、同位素示踪等技术手段,对硝酸盐依赖亚铁[Fe(Ⅱ)]氧化(NDFO)反应是否可以在太湖沉积物中发生、Fe(Ⅱ)添加能否促进太湖沉积物反硝化脱氮等问题进行了探究.厌氧培养24h后,上覆水中硝酸盐氮(NO_(3)^(−)-N)和Fe(Ⅱ)浓度均快速下降,呈现出显著正相关(P<0.01),而Sideroxydans等NDFO功能相关菌属的相对丰度也从厌氧培养前的0.69%±0.07%提高到4.23%±0.90%,结合沉积物颜色的变化,可以推断沉积物中发生了NDFO反应.不同Fe(Ⅱ)添加量的厌氧培养实验中,对照组和Fe(Ⅱ)添加量最少的处理组中的NO_(3)^(−)-N浓度显著高于其它处理(P<0.05,ANOVA),而亚硝酸盐氮(NO_(2)^(−)-N)浓度随着Fe(Ⅱ)添加量的增加而显著增加(P<0.01,ANOVA),表明添加一定量的Fe(Ⅱ)可以促进NO_(3)^(−)快速还原,并造成亚硝酸盐(NO_(2)^(−))积累.添加少量Fe(Ⅱ)(约1.9mg/g沉积物)后,太湖不同区域沉积物的潜在反硝化速率达到213~252mg N/(m^(2)·d),说明Fe(Ⅱ)可能在太湖反硝化脱氮过程中起到重要作用.

石灰性水稻土中硝酸盐依赖型与光合型亚铁氧化过程

厌氧条件下土壤中铁氧化还原过程与土壤氮循环关系密切,且硝酸盐依赖型亚铁氧化(nitrate-dependent ferrous oxidation,NDFO)和光合型亚铁氧化(photosynthetic ferrous oxidation,PFO)是亚铁氧化的两个重要的生物途径,然而目前关于石灰性水稻土中NDFO与PFO之间的关系仍不明晰。以采自黄河中下游地区河南省孟津县的水稻土为样品,设置培养前添加和培养过程中添加10 mmol·L^(–1)的硝酸根离子/铵离子(NO_(3)^(-)/NH_(4)^(+))的恒温厌氧泥浆培养试验,通过监测泥浆中Fe(Ⅱ)、O_(2)、NO_(3)^(-)和亚硝酸根离子(NO_(2)^(-))的动态变化与培养后的NH_(4)^(+)含量探究了NO_(3)^(-)在石灰性水稻土Fe(Ⅱ)氧化过程的作用及其与光合型亚铁氧化的关系。结果表明:避光条件下石灰性水稻土中存在NDFO,但产生的Fe(Ⅲ)可在NO_(3)^(-)消耗殆尽时被再次还原而掩盖Fe(Ⅱ)氧化现象。光照条件下NDFO和PFO可同时存在,PFO可致1.99 mg·g^(–1) Fe(Ⅱ)氧化,NO_(3)^(-)的加入可使Fe(Ⅱ)氧化量增加0.57 mg·g^(–1)。光照可抑制NO_(3)^(-)的还原而抑制NDFO。研究结果对于进一步理解湿地铁的氧化还原及其耦合的氮素转化过程有重要意义。

硝酸盐型厌氧亚铁氧化反应优化试验研究

硝酸盐型厌氧亚铁氧化(NAFO)作为一种新发现的生物反硝化过程,可以在缺乏有机碳源的污水中有效地去除硝酸盐,具有良好的工程应用前景。为了降低反应的启动成本并提高处理效率,选择了厌氧池专用污泥和厌氧颗粒污泥对NAFO工艺的运行效果进行对比评估。构建了两个相同反应条件的CSTR反应器且连续运行了56 d。随后在对比运行实验的基础上研究了硝酸盐处理效果的影响因素,采用优势性能的厌氧颗粒污泥进行单因素实验,分别考察初始无机碳源与硝酸盐比值(IC/N)、初始亚铁与硝酸盐比值(Fe/N)和初始pH对硝酸盐去除性能的影响。结果表明:两个反应器在运行14 d后的硝酸盐处理效率稳定达到80%以上,其中投加厌氧颗粒污泥的反应器表现出较高的性能,硝酸盐平均及最高去除效率分别达到了79.4%和92.9%,硝酸盐平均去除速率为0.045 kg-N/(m^(3)·d);当选择厌氧颗粒污泥作为种子污泥进行反应时,在初始进水的IC/N为12.68、Fe/N为3.82以及pH为6.46的条件下,NAFO工艺处理硝酸盐的效果最佳。

嗜酸氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化系统研究进展

嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)是目前研究得最多的浸矿细菌,其能量代谢途径复杂多样。在有氧条件下,A.ferrooxidans以氧化Fe2+、H2或(和)各种还原性硫化物提供能量来生长,在亚铁氧化系统中,A.ferrooxidans的各种菌株氧化亚铁后产生的电子经大致相同的传递途径传递给最终电子受体O2,但是最初电子受体可能有所不同。讨论了A.ferrooxidans亚铁氧化系统中电子顺电势梯度传递的各个电子传递载体的组成,基因结构和特征以及可能的相互作用机制;同时,介绍了A.ferrooxidans生长过程中,少量电子经细胞色素bc1复合体逆电势梯度传递、参与还原力NAD(P)H的生成和CO2固定过程中可能存在的电子传递模式,以及A.ferrooxidans在不同生长基质中生长时rus操纵子的转录调控模式。

氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化活性诱变育种理论探讨

结合已有的实验研究探讨了氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化活性诱变育种过程中出现的几个理论问题 :突变基因性质 ;正突变与细菌修复系统 ;诱变剂选择与“钝化”防止 ;遗传稳定性与抑制基因突变 ;有效的育种程序。以期在进一步诱变育种中加快进程 ,获得遗传稳定。

豫西旱作褐土剖面土壤的氧化铁还原与亚铁氧化特征

土壤铁氧化物的氧化还原过程不仅与重金属的生物有效性和有机污染物降解转化关系密切,也与旱地土壤肥力关系密切,因而备受关注。然剖面土壤耕层以下是否存在铁氧化物的还原、氧化过程,其特征如何尚未可知。本文采用恒温厌氧泥浆培养的方法研究旱地褐土剖面中铁的氧化还原特征。结果表明,旱地土壤剖面0~100cm中均存在铁的厌氧还原过程,还原潜势、最大速率均随剖面深度增加而显著降低;剖面0~80cm土层中均存在光合型Fe(II)氧化现象,0~40cm土层Fe(II)氧化量和氧化速率显著高于40~80cm。剖面的铁氧化还原过程不仅受有机碳含量影响,也受N、K等养分元素的影响。结果可为拓展对铁氧化还原微生物生境的认识、深入理解土壤剖面中铁氧化还原过程提供依据。

嗜酸氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化酶基因分子多态性研究

嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,A.f)属于化能自养、革兰氏阴性细菌,好氧嗜酸,以氧化亚铁离子或还原态硫化物(S0&S2-)获得能量生长.在其Fe2+氧化系统中,亚铁氧化酶起重要作用.对不同硫化矿区分离得到的5株A.f进行生长动力学和对亚铁氧化活性的对比研究,结果显示不同菌株之间存在表型差异.提取A.f菌株的基因组DNA,设计引物,对亚铁氧化酶基因进行PCR扩增,同时对扩增产物直接进行测序,并同GenBank的参考序列进行比对分析,发现序列相似性在99%～97%之间,分析编码区域发现在第187～195位可能存在一个高变异区:在第187～189位,菌株YTW编码的氨基酸Thr→Pro ;而在第193～195位,菌株TK是Met→Asn;菌株BY则是Met→Ile.另外在位点第219位,所有菌株都是T→C,但编码的氨基酸未发生变化,属于同义密码子.对于编码区上游序列,比对后没有差异;而对于编码区下游序列,经比对发现存在一些差异位点.

亚铁氧化酶Hephaestin的研究进展

Hephaestin(HP)作为铜蓝蛋白的同系物,是近年来发现的铁转运蛋白。HP具有一个位于羧基末端的跨膜结构域,主要分布于肠、肾、肺、皮肤、肝、胎盘等组织。目前已知HP在肠上皮细胞中与ferroportin1协同作用介导铁的跨膜转运。HP属亚铁氧化酶家族成员,具有亚铁氧化酶的活性,参与体内铁代谢。HP的表达可受铁、铜及锌等金属离子的调节。

影响Sulfobacillus thermosulfidooxidans生长及亚铁氧化的因素研究

在测定 Sulfobacillus thermosulfidooxidans生长曲线的基础上 ,以 Fe2 +的氧化表征细菌的生长规律 ,考察了初始 p H、接种量、初始 Fe2 +浓度对细菌生长及亚铁氧化的影响。实验结果表明 ,在混合营养条件下 ,初始 p H1 .6、接种量 1 0 %、初始 Fe2 +浓度 50～ 1 0 0 m mol/ L适宜细菌的生长及亚铁的氧化。

微生物介导的硝酸盐还原耦合亚铁氧化成矿研究进展

铁氧化微生物驱动的亚铁氧化过程是铁循环的重要组成部分。在中性厌氧环境中,硝酸盐还原亚铁氧化微生物可通过还原硝酸盐耦合氧化亚铁的过程影响污染物的降解及重金属的迁移转化等,对环境保护具有重要意义。文章主要综述了近年来有关硝酸盐还原亚铁氧化微生物驱动的不同形态亚铁氧化的成矿过程,成矿机制及其对微生物和环境的影响等。在亚铁氧化成矿的过程中,有机配体态和固态亚铁的氧化成矿主要发生在细胞表面,而小分子的无机溶解态亚铁还可继续进入细胞周质甚至细胞内膜氧化成矿。不同的培养条件(如缓冲液)和微生物种类也会影响成矿过程的反应速率从而影响矿物的结晶度。根据成矿的氧化剂不同,将成矿机制分为硝酸盐还原产物亚硝酸盐与亚铁反应的化学成矿机制与微生物利用铁氧化酶直接氧化亚铁的生物成矿机制。此外,硝酸盐还原耦合亚铁氧化成矿过程中所产生的细胞表面结壳现象,影响了不同微生物的新陈代谢过程,甚至会导致细胞死亡。而对于环境中的污染物,成矿过程可吸附和共沉淀多种重金属,从而降低重金属的污染,为治理环境污染提供了新思路。文章还分别对如何进行成矿过程的微观机制及其贡献的评估研究,以及如何更有效地利用成矿过程于环境污染治理中等问题进行了讨论和展望。

异化铁还原菌介导的硝酸盐还原亚铁氧化过程

中性厌氧的富铁环境中,微生物驱动硝酸盐还原亚铁氧化(NRFO)过程和异化铁还原过程,然而异化铁还原菌能否介导NRFO仍未知。选取异化铁还原菌(Klebsiella pneumoniae L17、Shewanella oneidensis MR-1、Shewanella putrefaciens strain CN32)、亚铁和硝酸盐,构建厌氧NRFO体系。结果表明:亚铁氧化、硝酸盐还原同步发生,主要是因为硝酸盐还原产物亚硝酸盐可以直接氧化亚铁;亚铁抑制了硝酸盐还原,且该抑制作用随亚铁浓度升高而增强;亚铁对亚硝酸盐的竞争性还原导致了铵根大量减少;亚铁氧化生成的次生矿物沉淀在细胞表面,阻碍硝酸盐进入细胞进行还原。在低浓度亚铁条件下,亚铁的毒害和氧化成矿作用抑制L17还原硝酸盐;亚铁氧化成矿作用是抑制CN32还原硝酸盐的主要原因;而亚铁的毒害是抑制MR-1还原硝酸盐的主要原因。在高浓度亚铁条件下,亚铁氧化导致细胞结壳是抑制微生物硝酸盐还原的主要原因。

稀土对肉鸡血浆亚铁氧化酶活性的影响

肉用仔鸡日粮中分别添加150ppm、200ppm、250ppm、300ppm 的硝酸稀土,经54天的饲喂试验,其测定结果表明,血浆中亚铁氧化酶活性都较不添加的对照组有不同程度的提高,其中以250ppm 组酶活性升高最明显(P<0.01)。本试验结果为稀土对畜禽增产的作用机理提供了依据。

污染河流底泥亚铁氧化硝酸盐还原菌分离及代谢特性

采用常规分离培养方法,从富含亚铁厌氧还原态底泥中分离得到多株亚铁氧化硝酸还原菌,并从中选取1株:FX-Fe5菌株进行详细分析研究.经革兰氏染色、光学显微镜及扫描电镜观察,该菌为革兰氏染色阴性长杆菌,经16Sr RNA测序分析确定为:拉乌尔菌属种类(Raoultella sp.).利用亚铁作为单独电子供体和亚铁与不同比例乙酸作为共同电子供体反硝化反应液,研究了FX-Fe5菌株对亚铁、硝酸盐氮和有机物的代谢特点.结果表明,FX-Fe5在24h内可对亚铁进行较大幅度的去除,去除率(%)分别为:89.77±0.47a(亚铁与乙酸盐比例1:1)、87.01±0.22b(亚铁与乙酸盐比例3:1)、86.96±0.07b(仅亚铁)、72.97±0.53c(亚铁与乙酸盐比例1:3),高于文献报道大部分纯菌的亚铁氧化率;亚铁和乙酸盐为共同电子供体时,乙酸和亚铁在硝酸还原过程中同步减少;重复反应的结果发现FX-Fe5菌株在不提供乙酸盐时,不能持续地利用亚铁进行硝酸还原反应.FX-Fe5菌株利用亚铁对硝酸还原过程中没有出现明显的亚硝酸盐氮和氨的积累,各反应体系反应气体中都含有N2O的存在,所占比例都不高,最高的情况不超过0.5%(5000×10-6),但不同电子供体间差别非常大.利用Biology对碳源代谢特点分析表明,FX-Fe5菌株但对单糖/糖苷/聚合糖类优先利用且利用程度较高.

水稻土嗜中性微好氧亚铁氧化菌多样性及微生物成矿研究

微生物驱动亚铁氧化过程在水稻土中十分普遍,该过程被认为是水稻土中联接各生物地球化学过程的中心枢纽。嗜中性微好氧亚铁氧化菌能够利用氧气作为电子受体将亚铁氧化成三价铁,获得生长所需能量。然而,对水稻土中微好氧亚铁氧化菌的多样性与分布及其微生物成矿类型仍然未知。采用铁氧反向浓度梯度管法富集培养并分离水稻土中微好氧亚铁氧化菌,利用16S r RNA基因测序手段分析培养过程中微好氧亚铁氧化菌群落多样性与分布,并初步研究分离得到的亚铁氧化菌的亚铁氧化能力与生物成矿类型。结果表明,在富集培养和传代培养过程中,Azospira、Magnetospirillum、Clostridium和Rhodoplanes等属在群落中占优势。在分离最后阶段,得到几种细菌的混合菌团,可能是由于这几种亚铁氧化菌存在互养关系而难以纯化分离,其中占优势的为Azospira(63.9%)。Azospira是一类已知硝酸盐依赖型Fe OB,可以利用硝酸盐、氯酸盐和高氯酸盐为电子受体进行厌氧亚铁氧化。混合菌团具有活跃的亚铁氧化能力,反应第15天生成6.9 mmol·L-1 HCl-Fe。XRD结果表明菌团氧化亚铁形成的三价铁矿物类型为无定形铁氧化物。TEM结果显示微好氧Fe OB菌体呈杆状,细菌表面和周围散布着颗粒状的物质,可能是由无定形铁氧化物组成。综上所述,认为反硝化细菌可能在水稻土有氧-无氧界面进行微好氧亚铁氧化,其氧化亚铁的产物为无定形铁氧化物。

硝酸盐还原和亚铁氧化对贪铜菌还原砷的影响

华南红壤区水稻土具有含铁量较高、氮元素输入量较大的特性,且部分矿区周边的水稻田受砷污染严重,不仅影响水稻产量,还对食品安全和人类健康造成威胁。利用多轮传代富集的方法,从华南红壤水稻土中纯化获得一株具有硝酸盐还原、亚铁氧化和砷还原功能的贪铜菌Cupriavidus metallidurans Paddy-2。以该细菌为研究对象,探讨纯细菌体系中,硝酸盐还原和亚铁氧化过程对微生物还原As(Ⅴ)的影响,测试了反应体系中As(Ⅴ)和硝酸盐的还原动力学,以及Fe(Ⅱ)的氧化动力学,并对体系中Fe(Ⅱ)氧化所生成的矿物沉淀进行表征分析。As(Ⅴ)还原动力学结果表明,中性厌氧条件下贪铜菌对As(Ⅴ)的还原率为100%,而分别加入硝酸盐和Fe(Ⅱ)均能有效抑制贪铜菌对As(Ⅴ)的还原作用(还原率为27%~49%),两者同时存在对As(Ⅴ)还原的抑制作用最大(还原率只有21%)。硝酸盐作为末端电子受体,由于其氧化还原电位比As(Ⅴ)更高,因此比As(Ⅴ)更容易接收电子,从而减缓贪铜菌对As(Ⅴ)的还原效率。Fe(Ⅱ)氧化动力学和矿物表征结果表明,只有在硝酸盐和Fe(Ⅱ)共存的体系里,Fe(Ⅱ)的氧化才能得到有效的促进,并生成含Fe(Ⅲ)的无定形矿物。这些Fe(Ⅲ)矿物覆盖在菌株表面,有可能降低菌株的代谢活性,并有效吸附As(Ⅴ),从而减低体系中As的浓度,达到降低As毒性的效果。研究结果可为受砷污染农田的生物修复技术的开发提供科学依据。

氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化系统的研究进展

氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)为无机化能自养菌,革兰氏阴性,能在极端酸性环境中生长。由于在生物冶金中的应用及特殊的生理学效应,该菌受到研究者的广泛关注。A.ferrooxidans能氧化亚铁、元素硫及还原态硫化物获得电子,并通过一系列电子载体将电子传递给氧生成水,同时释放能量供生命活动需要。目前对A.ferrooxidans电子传递系统的研究主要集中于亚铁氧化电子传递系统,已发现多种与亚铁氧化电子传递相关电子载体和操纵子,如电子载体铜蓝蛋白(Rustocyanin,Rus)、细胞色素C(Cytochrome C,Cyc)、细胞色素C氧化酶(Cytochrome Coxidase,Cox)、亚铁氧化酶(Iro)、细胞色素bc1复合物(cytochrome bc1 complex,bc1)等,以及rus操纵子和pet操纵子。综述了近年来有关A.ferrooxidans亚铁氧化电子传递链相关蛋白载体,rus和pet操纵子结构与功能及表达调控等方面的研究进展。

低C/N亚铁氧化硝酸盐还原菌群脱氮特性

为削减微污染水库中氮污染负荷,从西安市李家河和黑河水库沉积物中驯化筛分出在低C/N条件下能够高效脱氮的亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群,并将其命名为Z13.利用硝酸盐氮为唯一氮源、亚铁与乙酸作为共同电子供体的反硝化基础培养基,研究了亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13对氮素、亚铁和有机物等的代谢特征.考察了不同温度、初始pH值、C/N、Fe^(2+)浓度对亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13脱氮性能及亚铁氧化的影响.结果表明,低C/N条件下亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13在78h时硝酸盐氮去除率为99.85%,总氮去除率为89.91%.Fe^(2+)的总去除率为99.86%,其中生物氧化率为82.70%,无亚硝酸盐氮和氨氮的累积.单因素实验表明,在温度30℃,pH 6.5,C/N 1.821,Fe^(2+)浓度30mg/L时,亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13对亚铁氧化和氮素的去除效果最好.亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13在微污染水体生物脱氮领域中具有很大的应用潜力.

硝酸盐型厌氧亚铁氧化生物脱氮工艺研究进展

生物法去除硝酸盐是一种经济高效的处置污染水体的手段。硝酸盐型厌氧亚铁氧化(NAFO)工艺因其具有低成本和低能耗的特点,已成为极具发展前景的新型污水生物脱氮技术。系统总结了NAFO的发现过程、反应原理、推测的代谢方式及微生物的研究进展。介绍了工艺运行参数及应用方面的进展,探讨了研究中存在的问题,并对未来的研究方向进行展望。