电子穿梭体介导土壤锑还原成矿的微生物机制

微生物锑还原成矿有助于降低土壤锑的生物有效性和移动性,是土壤锑污染修复的重要策略之一。电子穿梭体AQDS能够加速土壤富集菌群锑还原速率,可能与其促进微生物呼吸及细胞生长有关。理解电子穿梭体(ES)介导微生物锑还原过程与机制可为土壤锑污染控制提供关键理论支撑。醌类和黄素类电子穿梭体(AQDS和FMN)存在时可能改变微生物呼吸代谢中的电子传递过程,然而ES介导下的微生物锑还原过程及转录响应机制尚不清楚。利用锑污染稻田土壤分离的兼性厌氧锑还原细菌Mesobacillus jeotgali PS1作为研究对象,探究醌类和黄素类电子穿梭体(AQDS和FMN)对菌株PS1锑还原过程及关键功能基因转录活性的影响。结果表明,菌株PS1驱动Sb(Ⅴ)还原为Sb(Ⅲ)过程中水溶态Sb(Ⅲ)随培养时间先累积后下降,培养72 h后水溶态锑去除率为64%,生成十四面体方锑矿,表明菌株PS1驱动锑还原成矿有助于锑的钝化。两种ES能够加速细菌锑还原反应,而对胞外生成的方锑矿晶型没有影响。通过定量分析菌株PS1潜在功能基因转录表达活性,结果表明AQDS相比FMN更能促进菌株PS1细胞膜二甲基亚砜还原酶(DMSOR)基因和胞内解毒型砷还原基因(arsC)转录活性,有助于增加菌株PS1呼吸代谢活性和胞内锑解毒从而加速锑还原,所以AQDS可能在强化微生物锑还原钝化中更具有优势。该研究揭示了不同电子穿梭体介导锑还原的微生物机制,为锑污染土壤生物修复提供重要理论支撑。

电子穿梭物质对异化Fe(Ⅲ)还原过程的影响

选择采自吉林(JL)、四川(SC)、江西(JX)和浙江(ZJ)的水稻土样品,采用微生物混合培养和土壤泥浆厌氧恒温培养的方法,研究了电子穿梭物质蒽醌-2,6-二磺酸盐(AQDS)对异化铁还原的影响。用Logistic方程对异化铁还原过程进行模拟,并对异化铁还原特征及Fe(Ⅲ)还原的最大累积量(a)、反应速率常数(c)、最大反应速率(Vmax)等参数进行了比较。结果表明,在微生物混合培养试验中。添加AQDS能够明显加速Fe(Ⅲ)的还原,随着AQDS浓度的增大,Fe(Ⅱ)产生的速率越大,且在铁还原反应中不同来源微生物对AQDS的敏感性不同。在土壤泥浆培养中,添加AQDS可明显增大Fe(Ⅱ)累积量,并且随着AQDS浓度增大,在JX和ZJ水稻土中表现出a值不断增大,其中JX水稻土的增加幅度最大,而JL和SC水稻土的a值则随AQDS浓度增大而减小;除JL水稻土外,其他水稻土中铁还原速率常数均随着AQDS浓度的增加呈先增加后降低的趋势,表明过量的AQDS对土壤中的铁还原反应具有一定的毒害作用。试验证明AQDS不仅能促进微生物对土体中易还原氧化铁的还原,而且也能使部分较难还原的晶体氧化铁被还原。

不同土地利用方式下土壤腐殖质作为胞外电子穿梭体的持续能力分析

由于腐殖质的氧化还原活性官能团可以在连续的缺氧和有氧交替中将电子从微生物可持续地传递到氧气,土地利用方式可以影响土壤腐殖质的电子转移能力,但土地利用方式是否会影响土壤腐殖质作为胞外电子穿梭体的持续能力尚不明晰.选取水稻地、葡萄园和杨梅园的土壤,采用微生物还原和氧气氧化的循环周期试验,评估土壤中胡敏酸(HA)和富里酸(FA)作为胞外电子穿梭体的持续能力对不同土地利用方式土壤的响应.结果表明:土壤腐殖质作为胞外电子穿梭体的持续能力在Shewanella oneidensis MR-1和Shewanella putrefaciens 200两种微生物体系下并无明显差异,但在水稻地、葡萄园和杨梅园间具有显著差异.水稻地、葡萄园和杨梅园土壤中HA作为胞外电子穿梭体的持续能力分别为75.9%、80.5%和72.1%,FA作为胞外电子穿梭体的持续能力分别为58.2%、62.2%和62.9%.该结果可能是由不同土地利用方式下土壤腐殖质的组成、分解和转化过程以及微生物电子供体碳源驱动的动力学过程差异造成的.研究显示,不同土地利用方式下腐殖质作为胞外电子穿梭体的持续能力具有显著差异,且HA作为胞外电子穿梭体的持续能力明显强于FA,可通过环境调控措施形成HA,以实现土壤污染物的降解转化.

电子穿梭体及其介导的环境与地球化学过程研究进展

电子穿梭体是一类可通过自身氧化还原介导电子转移的化学物质的统称。在地球表层系统中,电子穿梭体可加速微生物向细胞外部进行的电子传递,参与矿物的微生物还原,驱动碳、氮、硫元素循环,并偶联有机污染物降解和重金属迁移转化。电子穿梭在自然界中存在广泛,对于元素循环、污染物环境行为以及微生物的生存行为影响深远,具有重要的环境地球化学意义。因此,该文以自然界存在的典型电子穿梭体为阐述对象,综述了以腐殖质、硫单质和生物炭为代表的三类典型穿梭体的反应特性。其中,腐殖质是土壤中天然存在的分布最广的穿梭体,硫单质是碱性环境下最典型的穿梭体,而生物炭则是稻田系统中人为输入的穿梭体。以上述三类穿梭体为核心,该文系统阐述了穿梭过程与碳氮循环、铁循环和污染物迁移转化的相互关系、以及穿梭体对微生物菌群变化产生的影响。在碳氮循环过程中,穿梭体主要参与有机碳的厌氧消耗、二氧化碳向甲烷的转化、氨氧化以及氧化亚氮向氮气的转化过程;在铁循环过程中,穿梭体主要影响氧化铁的还原溶解、含铁矿物的晶型转变以及氧化铁还原耦合的砷、铬污染物转化过程;而穿梭体作为电子受体,还可改变微生物的生长与竞争关系,调控微生物菌群。文章深入分析了穿梭过程在地球表层系统中产生的环境效应与生态效应,并提出了本领域今后需关注的重点,可为穿梭行为的进一步研究提供思考依据。

电子穿梭体对大肠埃希氏菌腐蚀行为的影响研究

以典型电子穿梭体核黄素(Riboflavin,RF)为研究对象,采用失重法和电化学方法,通过观测腐蚀形貌与分析腐蚀产物元素和物相组成,研究了RF对大肠埃希氏菌(Escherichia coli,Eoil)腐蚀行为的影响。循环伏安法结果表明:RF作为电子穿梭体,参与了Eoil与电极之间的电子传递,且RF浓度越大,峰电流值越大。失重腐蚀试验表明:含RF体系中QT500-7球墨铸铁的失重腐蚀速率大于无RF体系,并且随着腐蚀时间的延长,含RF体系与无RF体系腐蚀速率的比值持续增大,说明RF对Eoil的腐蚀行为具有明显的促进作用。电化学测试结果表明:试验周期内,含RF体系的自然腐蚀电位比无RF体系低,QT500-7球墨铸铁的腐蚀倾向更大。浸泡8 d后,含RF体系的腐蚀电流约为无RF体系的5倍,电荷转移电阻R_(ct)约为无RF体系的1/3。因此,电化学测试结果和失重腐蚀试验结果相吻合;QT500-7球墨铸铁在Eoil影响下的腐蚀形态为点蚀,在Eoil和RF共同影响下的腐蚀形态为全面腐蚀。含RF体系的QT500-7球墨铸铁腐蚀产物中Fe和O元素的含量明显高于无RF体系,QT500-7球墨铸铁在含RF和无RF环境下的腐蚀产物主要成分均为Fe(OH)_(2)和α-FeOOH。

电子穿梭体介导的微生物胞外电子传递:机制及应用

厌氧条件下微生物将电子传递给胞外电子受体的现象非常普遍,电子穿梭体(electron shuttle,ES)是介导胞外电子传递过程的重要途径之一,但其具体的机制尚未明晰。一部分微生物自身能分泌一些物质作为内生ES,另一部分微生物能利用天然存在或人工合成的某些物质作为外生ES,并将其携带的电子传递至微生物胞外电子受体。ES介导微生物胞外电子传递的基本过程为:氧化态电子穿梭体(ES_(ox))接受电子变成还原态(ESred),ESred传递电子给胞外电子受体,自身再次氧化成ES_(ox),从而循环往复。本文重点介绍不同种类ES及其电子穿梭机制,以及ES的分子扩散、氧化还原电势及电子转移能力对胞外电子传递过程的影响。ES介导的胞外电子传递过程直接影响污染物转化和微生物产电,因此在污染修复及生物能源等方面具有重要的应用前景。

电子穿梭体介导微生物还原铁氧化物的研究进展

微生物还原铁氧化物矿物是铁元素生物地球化学循环的重要组成,而利用具有氧化还原活性的电子穿梭体介导生物产生的电子向矿物的传递,促进Fe(III)还原是生物还原含铁矿物的一种重要方式.基于对国内外相关研究成果的归纳整理,本文系统综述了影响腐殖质、醌、硫物种、生物自分泌化合物及固相碳材料等不同类型电子穿梭体参与微生物还原转化铁氧化物的因素及介导电子传递机理,展望了电子穿梭体在环境地质科学研究中有待进一步解决的问题.

克雷伯氏菌燃料电池的电子穿梭机制研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)中阳极电子传递过程是决定MFC产电的关键因素与限速步骤.以肺炎克雷伯氏菌L17菌株为催化剂,构建了阳极包裹型MFC反应器,对其阳极电子传递机制进行了探讨.结果显示,碳毡阳极经0.22μm微孔滤膜包裹后,尽管排除了L17菌株与阳极直接接触(即生物膜产电途径)的可能性,包裹型MFC仍能成功启动,但其启动时间相对延长(270h,120h)、输出电压降低(350.0mV,420.0mV);阳极液更换试验发现,未包裹MFC电压可在48h内恢复,而包裹型MFC则约需要120h,暗示除生物膜机制以外,克雷伯氏MFC中还存在电子穿梭机制,即L17菌体生长过程中可产生某种具有电化学活性的电子穿梭体,穿梭于菌体和阳极间传送电子.循环伏安扫描进一步证实电子穿梭体的存在;GC-MS检测表明它为2,6-二叔丁基苯醌(2,6-DTBBQ).据此,提出了克雷伯氏菌MFC中的2,6-DTBBQ穿梭产电机制.

Fe(Ⅲ)-EDTA作为阴极电子穿梭体的微生物燃料电池持续产电机制

阴极氧还原反应(ORR)是影响微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)性能的重要因素.采用双室MFC以Fe(Ⅲ)-EDTA为阴极液进行持续产电试验.结果表明,添加Fe(Ⅲ)-EDTA作为阴极液可显著加速氧还原反应速率,降低内阻,提高输出电压与功率.当阴极液中存在20.0mmol/L的Fe(Ⅲ)-EDTA时,电池内阻仅为300Ω,比对照降低了900Ω,其输出电压(1000Ω下)与功率密度可维持在200.1mV、16.0mW/m2左右,比不加的对照分别提高73.2%、70.1%.Fe(Ⅲ)-EDTA氧化再生与持续产电试验表明,Fe(Ⅲ)-EDTA可通过曝气氧化再生、循环利用,即Fe(Ⅲ)-EDTA可作为阴极电子穿梭体加速电子至氧气的传递.Fe(Ⅲ)-EDTA首先接受阴极电子被还原成Fe(Ⅱ)-EDTA,在阴极室充分曝气条件下,Fe(Ⅱ)-EDTA将电子传递给O2同时被氧化再生成Fe(Ⅲ)-EDTA,从而完成电子从电极传递到氧气的穿梭过程,MFC得以长期稳定运行.进一步优化试验显示,Fe(Ⅲ)-EDTA作为阴极电子穿梭体强化MFC产电的适宜条件为:浓度20.0mmol/L、pH=5.0左右.在此条件下MFC的最大功率密度达100.9mW/m2.

水溶性有机物的电子穿梭功能研究

以源于污泥的DOM（dissolved organic matter）为供试材料,以中国希瓦氏菌（Shewanella cinica）D14T为电子转移驱动力,研究了DOM的氧化还原性能与电子穿梭功能.结果表明,污泥DOM可作为末端电子受体接受醌还原菌D14T呼吸链上的电子,从而转变为还原态DOM,而还原态DOM可将电子再次转移给Fe（Ⅲ）.经D14T还原后,DOM电子供给量（e-/C）由初始2.2-14μmol·g^-1增加到253-347μmol·g^-1.循环伏安法与多次还原-氧化循环实验表明,DOM呈现2对明显的氧化还原峰,经3次还原-氧化循环后电子供给量可稳定维持在150-250μmol·g^-1之间,说明DOM具有重复利用、反复转移电子的特性.在菌株D14T还原水铁矿的体系中,加入DOM可提高水铁矿的还原溶解速率,其原因是DOM在D14T与水铁矿之间充当了电子穿梭体的角色.这些结果反映了DOM在电子转移反应中的重要性,为DOM的环境属性提出了一个新见解.

穿梭体影响微生物群落胞外电子传递过程的研究

微生物是土壤、湖泊、沉积物中重要的活性物种。胞外呼吸是微生物主要的能量代谢方式,是微生物与胞外受体间进行电子传递的主要路径。胞外电子传递过程是胞外呼吸作用的重要组成部分,影响着环境中的物质转变和能量交换。研究发现胞外电子传递方式主要包括直接电子传递和间接电子传递两大类。其中,直接电子传递方式主要分为直接接触、纳米导线和纳米导线网络;间接电子传递以穿梭体介导的电子传递为主。腐殖质是自然界中重要的氧化还原活性物种,能作为穿梭体参与间接电子传递过程。已有的研究表明穿梭体能影响单菌体系微生物胞外电子传递过程,但其影响微生物群落胞外电子传递过程的研究更具实际意义。本实验以浅海沉积物为研究对象,构建微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC),结合电化学方法研究在核黄素、AQDS、2-HNQ 3种穿梭体介导下,微生物群落燃料电池的输出电压、极化曲线、功率密度等电化学参数的变化情况,以此来表征穿梭体对微生物群落胞外电子传递过程的影响。研究结果表明:(1)浅海沉积物中存在能进行胞外呼吸的微生物且能成功启动微生物燃料电池;(2)穿梭体的表观电极电位越低,其介导的微生物燃料电池的输出电压越高,此研究结果与纯菌体系相同;(3)纯菌体系中穿梭体的表观电极电位是胞外电子传递速率的决定因素,但在群落体系中并不成立。

微生物电解池CO_(2)电甲烷化的影响因素及电子中介体角色探究

化石燃料燃烧排放的温室气体,导致了全球生态环境恶化与能源危机。因此,探索二氧化碳(CO_(2))的转化、再利用和清洁能源生产的新技术迫在眉睫。与传统CO_(2)转化为高值产物的技术相比,利用微生物电解池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)将CO_(2)转化为低碳能源甲烷(CH_(4))具有反应条件温和、催化剂可回收利用、产物绿色环保等优点,受到了研究者们的广泛关注。本文综述了CO_(2)的捕获与高值资源利用的研究现状,并对MEC-CO_(2)电甲烷化的主要影响因素(如接种物来源、反应器构型、外加电压、电极材料特性等)展开阐述,简要概述了电子穿梭体,特别是核黄素在MEC-CO_(2)电甲烷化中扮演的重要角色及其在电产甲烷菌的生物膜成膜过程中的关键作用,点明现阶段MEC-CO_(2)电甲烷化的技术瓶颈及未来研究的技术突破要点,为MEC-CO_(2)高效电甲烷化的发展及“双碳计划”的实现提供理论支持。

腐殖质电子传递机制及其环境效应研究进展

腐殖质通过充当微生物的电子受体和氧化物的电子供体可以加速微生物与胞外电子受体间的电子传递速率.腐殖质的电子传递能力受自身结构、来源和外界条件等多种因素的影响.腐殖质不仅能够很大程度地加速电子传递进程,且具有结构和性质稳定等特点,是自然环境中较理想的电子穿梭体.与经过化学提取、纯化后的腐殖质相比较,土壤固相腐殖质更能反映实际环境中的电子传递过程.目前,已有很多研究将腐殖质的电子传递应用于土壤污染治理、温室效应的缓解和水污染处理等多个领域.但在腐殖质电子传递机制及其环境应用的研究中还存在诸多不足,需要广大学者做更进一步的探究.

垃圾填埋初期水溶性有机物电子转移能力特征研究

为了阐明填埋垃圾初期水溶性有机物(DOM)电子转移能力的演变规律及影响因素,采集不同深度填埋垃圾并提取DOM,以希瓦氏菌MR-1和柠檬酸铁(Fe Cit)分别作为电子供体和电子受体,测定DOM的电子供给能力(EDC)、电子接受能力(EAC)和电子穿梭能力(ESC),采用光谱分析技术对电子转移能力的3种影响因素进行解析。结果表明,DOM中类腐殖质物质和类蛋白物质既能够作为电子供体传递出自身携带的电子,又可以作为电子受体接受微生物供给的电子。随着垃圾填埋的进行,DOM的电子供给能力和电子接受能力均先升高后降低,而电子穿梭能力持续增强。类蛋白物质是填埋初期DOM的主要成分,其含量决定DOM的电子供给能力和电子接受能力的演变。随着填埋时间的延长,类蛋白物质的降解是DOM的电子接受能力和电子供给能力降低的主要原因。DOM反复氧化还原过程中光谱特征和参数变化规律显示DOM的电子穿梭能力主要源于DOM中类腐殖质物质。在填埋垃圾降解和腐殖化过程中,DOM中类腐殖质物质不断合成,致使其电子穿梭能力不断增强。

河湖氧化亚氮(N_(2)O)温室气体的微生物还原作用研究进展

氧化亚氮(N_(2)O)是强温室气体和破坏臭氧层的主要物质之一,河湖生态系统是人为活动导致N_(2)O排放的热点区域.含有nosZ功能基因的N_(2)O还原菌(N_(2)ORB)是唯一已知的N_(2)O还原微生物,在减少N_(2)O排放中起着至关重要的作用.先前的研究关注于河湖中N_(2)O的产生和排放过程及其影响因子,缺少对N_(2)O汇过程及其微生物还原作用的系统报道.本研究通过系统梳理发现,寒冷的北方地区和河湖局部位点,如底泥、水库深水层和水草区,广泛表现为N_(2)O的汇.非反硝化N_(2)ORB是N_(2)O的净汇,新发现的nosZⅡ型N_(2)ORB更加多样,其N_(2)O还原酶转位能量需求更低.相比于nosZⅠ型N_(2)ORB,nosZⅡ型N_(2)ORB还原N_(2)O的半饱和常数更低,对N_(2)O的亲和力更高,在利用环境中低浓度的N_(2)O时具有优势.内源电子供体对N_(2)O还原过程的影响受微生物自身代谢特性的影响,内源电子供给不足会减弱N_(2)O还原过程,然而部分完全反硝化菌株会优先进行N_(2)O还原.河湖系统中的胞外呼吸细菌和腐殖质等电子穿梭体,可以增加外源电子供给,从而促进N_(2)O还原.河湖系统中竞争性电子受体对N_(2)O的影响复杂,可以通过影响电子分配减弱反硝化细菌尤其是nosZⅡ型N_(2)ORB的N_(2)O还原性能,但也有发现并不会影响水体N_(2)O/NO_(3)-和纯菌培养系统稳定阶段的最低N_(2)O浓度.最后,温度、溶解氧浓度、pH和河流水力停留时间会通过改变N_(2)O还原酶活性和N_(2)O还原反应时间来影响河湖系统N_(2)O还原过程.未来应当加强对河湖系统中原位N_(2)ORB的生物动力学特征及其环境影响机制的探索,提高对环境中N_(2)O减排机制的理解,这对正确估算全球N_(2)O温室气体排放总量及其受全球变化的影响具有重要意义.

石墨烯介导铁还原菌耦合针铁矿体系降解四氯化碳

研究了氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(rGO)及双氧水改性还原氧化石墨烯(rGO(H__(2)O_(2)))3种石墨烯介导铁还原菌耦合针铁矿体系的铁还原过程以及该体系强化降解四氯化碳的机理。结果表明:不同石墨烯均能有效促进铁还原菌还原针铁矿和铁还原菌耦合针铁矿体系对四氯化碳的降解,其中rGO的促进作用最为显著,其机理主要与石墨烯表面的醌类等基团具有更强的电子传递能力、吸附态Fe(Ⅱ)浓度高及能生成还原能力强的次生铁矿蓝铁矿等因素有关。

生物炭/铁质黏土矿物复合材料介导乳酸钠还原六价铬的机理研究

采用热解法与浸渍—共热解法分别制备原始生物炭(PB)和生物炭/铁质黏土矿物复合材料(PFB),并将PB和PFB作为电子穿梭体介导弱电子供体乳酸钠还原六价铬[Cr(Ⅵ)]。通过测定PB和PFB电化学活性及导电性,以及生物炭介导Cr(Ⅵ)还原的反应动力学,比较PB和PFB的电子穿梭效能,并通过相应的表征分析探究PFB作为电子穿梭体介导乳酸钠还原Cr(Ⅵ)的作用机理。结果表明,PFB具有更高的比电容和电荷传递速率,可作为电子穿梭体促进乳酸钠还原Cr(Ⅵ)。

扫描电化学显微镜用于研究生物膜微环境的电子传递

生物电化学系统(BESs)的核心是生物膜在电极/溶液界面的电子传递反应,研究生物膜微区环境中的电子传递有助于阐明微生物的胞外电子传递(EET)机制,从而有针对性地提高BESs中的电子转移效率。微生物的EET机制包括直接电子传递和间接电子传递,由于生物膜组成复杂,含有多种分泌物、胞外聚合物等,常规电化学方法只能从生物膜宏观层面研究EET机制,无法有效区分这两种电子传递途径的贡献。本文采用电化学循环伏安方法研究了电子穿梭体二茂铁甲醇(FcMeOH)与希瓦氏菌(Shewanella)相互作用的界面过程;基于扫描电化学显微技术构建了穿透模式,通过微电极介导FcMeOH与Shewanella反应,收集仅来自间接电子传递途径产生的电流,同时测定了Shewanella在电极/溶液界面的氧化还原性质和空间分布。本论文将电化学扫描探针显微技术应用于EET的研究,从物理化学角度揭示微生物在代谢过程中与外界的电子传输机制。

铁氨氧化污水脱氮的应用研究进展

铁氨氧化(Feammox)是一种以廉价、易得的铁作为微生物电子供体的新型自养生物脱氮技术,即Fe(Ⅲ)还原与厌氧氨氧化的结合工艺,拥有成本低廉、无需有机碳源、污泥产量小、无温室气体产生等优势,是污水处理的一种潜在脱氮途径.本文对铁氨氧化反应的机理、功能菌种的种类和特性及电子穿梭体对其的影响进行了介绍,总结了铁氨氧化在污水环境中的脱氮效果及其与厌氧氨氧化、硝酸盐依赖型亚铁氧化和生物电化学系统的耦合技术,并指出目前铁氨氧化的应用问题及该技术未来的研究方向和重点可能是菌分离纯化、工艺参数控制.

氧化还原介体催化强化偶氮染料脱色研究进展

偶氮染料废水是公认的难处理废水之一,解决问题的关键是缩短厌氧生物脱色时间。大量研究表明具有氧化还原性能的不同有机分子对于厌氧(生物)脱色催化作用是明显的。氧化还原介体通过自身不断的氧化和还原来传递电子,明显加速电子传递速率,可使偶氮染料氧化/还原速率提高1到几个数量级,大幅缩短降解时间。讨论了不同微生物作用的偶氮染料脱色机理,总结了氧化还原介体对偶氮染料还原(生物)转化过程的催化效果,并指出今后的研究方向,以提高氧化还原介体(生物)催化降解偶氮染料的实际应用性。