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。

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。

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。

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。

漫透射光谱电化学原位研究穿梭体介导的胞外电子传递过程

微生物胞外电子传递是地球表层系统元素循环与能量交换的重要驱动力,穿梭体通过自身的氧化还原循环,介导并加速微生物与矿物之间的电子转移。但目前为止,穿梭体的实时氧化还原状态与胞外电子传递强弱之间的定量关系还不太清楚。因此,本研究搭建了漫透射光谱电化学测试系统,原位测试了典型穿梭体介导的胞外电子传递过程,探究了AQS氧化还原状态变化与电流强弱之间的关系。结果表明,在反应初期,电流的上升与AQS氧化还原状态密切相关,而反应中后期,AQS的氧化还原状态不再发生明显的变化,但电流仍然继续上涨,说明体系中除了AQS氧化还原状态以外,可能有其他更重要的因素在起着持续的作用。

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。

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.

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.

含人自噬基因hAPG12穿梭载体构建及其在酵母自噬中的作用

目的该研究旨在构建大肠杆菌-酿酒酵母穿梭载体pESC-URA-EGFP-hAPG12,将构建好的载体转化到酵母菌内,以此研究hAPG12在酵母自噬过程中的作用。方法从pEGFP-C2-hAPG12中扩增出EGFP-hAPG12融合基因,鉴定正确后定向亚克隆到大肠杆菌-酿酒酵母穿梭载体pESC-URA中,构建载体pESC-URA-EGFP-hAPG12并将其转化到酵母,荧光显微镜下观察,用自噬诱导剂诱导酵母自噬以观察hAPG12在酵母内的表达定位。结果证实EGFP-hAPG12基因已完全正确亚克隆到pESC-URA中,荧光显微镜观察结果证明EGFP-hAPG12融合蛋白在酵母中成功表达,以诱导培养24h的荧光最强,EGFP-hAPG12定位于酵母的自噬体中。结论成功构建了具有报告基因的重组真核表达载体pESC-URA-EGFP-hAPG12;EGFP-hAPG12融合蛋白在酵母中得到表达,hAPG12在酵母自噬体形成过程中起作用。

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。

FMDV全ORF编码基因的克隆及其腺病毒穿梭质粒的构建

为研制FMD复制缺陷型腺病毒活载体疫苗,通过RT-PCR方法获得了O型口蹄疫病毒(FMDV)全开放阅读框(ORF)基因片段,将其克隆到pMD18-T载体后测序,再将ORF编码基因定向克隆入腺病毒穿梭载体pAdTrack-CMV中,构建了重组腺病毒穿梭质粒。经PCR、酶切及测序鉴定,所克隆的ORF编码基因序列与原始强毒株Akesu/58的ORF编码基因比较,L、P1、P2、P3基因的核苷酸同源性分别为98.8%、97.9%、99.0%和97.6%,PCR、酶切鉴定重组腺病毒穿梭质粒均获得了长约6.9 kb的目的基因片段。表明,成功获得了含有O型FMDV全ORF编码基因的阳性克隆,并成功构建了含有完整FMDV开放阅读框架的编码基因表达盒的重组腺病毒穿梭质粒。

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.

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.

腐殖质呼吸作用及其生态学意义

腐殖质呼吸是厌氧环境中普遍存在的一种微生物呼吸代谢模式。自1996年发现以来,日益成为生态学与环境科学领域的研究热点。在厌氧条件下,一些微生物能以腐殖质作为唯一电子受体,氧化环境中的有机质或者甲苯等环境有毒物质,产生CO2,参与碳循环;同时,腐殖质呼吸作用产生的还原态腐殖质可以还原环境中的一些氧化态物质,如Fe(III)、Mn(IV)、Cr(VI)、U(VI)、硝基芳香化合物和多卤代污染物。因此,腐殖质呼吸能够影响环境中C、N、Fe、Mn以及一些痕量金属元素的生物地球化学循环,并且能够促进重金属以及有机污染物的脱毒,在水体自净、污染土壤原位修复、污水处理等方面具有积极作用。

天然有机质对环境污染物的转化过程的介导作用

天然有机质因自身的结构特点而参与着光化学反应与醌呼吸过程,并通过这两个重要过程对生态系统中营养元素及矿物元素的物质循环起着十分重要的作用。天然有机质对环境污染物转化的影响早已受到关注,然而其中的影响机制尚未明晰。近年来已有一些研究者发现天然有机质的光化学过程及醌呼吸过程与污染物的转化之间存在着耦合作用,因而对此方面的研究进行了系统性的综述,阐明了天然有机质的光化学过程与醌呼吸过程对环境污染物转化的影响及可能的机制,并强调天然有机质在光化学过程中作为"高活性反应微区"以及在醌呼吸过程中作为"电子穿梭体"对环境污染物的转化起着关键的作用。因此作者提出了天然有机质对环境污染物的转化起着介导的作用,并推测该介导作用是天然有机质影响污染物环境行为及生物效应的重要机制之一,也是污染物在天然环境中消减与解毒的重要途径。今后应加强对天然有机质介导环境污染物转化的机制的研究,明确该机制在污染物自然消减过程中的作用大小,同时可基于此机制发展一些如有机质含量丰富的湿地系统等环境污染控制与修复技术。

腐殖酸对微生物还原绿脱石结构Fe(Ⅲ)的促进作用

微生物介导的铁循环是调控地表有害物质迁移转化等地球化学反应的关键因子之一。为了探明腐殖酸对微生物还原含铁黏土矿物的影响,选取了富铁黏土矿物绿脱石和不同土壤中提取到的腐殖酸为研究对象进行了实验,在有、无腐殖酸2种条件下对比了典型异化铁还原菌Shewanella putrefaciens CN32对绿脱石结构Fe(Ⅲ)的还原效率,同时分析了微生物作用后绿脱石的晶体结构差异。实验采用化学方法检测Fe(Ⅲ)的还原程度,利用X射线粉晶衍射(XRD)及傅里叶转换红外光谱(FT-IR)对微生物作用前后的绿脱石进行了矿物学表征,利用扫描电镜(SEM)研究了反应前后绿脱石的形貌差异。实验结果表明不同来源的腐殖酸均具有促进微生物还原绿脱石结构Fe(Ⅲ)的能力,但其促进效率存在差异。绿脱石中的结构Fe(Ⅲ)经微生物还原后,其矿物结构被破坏,结晶程度逐渐降低,矿物形貌由不规则片状变为松散疏松的网絮状。本研究对深入理解自然环境中铁的生物地球化学循环及其环境效应具有启示意义。

AQDS加速红壤性水稻土中DDT厌氧脱氯效应研究

电子供体基质和电子穿梭体对电子转移过程有重要影响,进而可能影响厌氧反应体系中2,2-双（4-氯苯基）-1,1,1-三氯乙烷（DDT）还原脱氯降解。为了阐明电子供体基质正丁酸与电子穿梭体蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS）对红壤性水稻土中DDT还原脱氯效果的影响,本研究采用厌氧土壤培养试验并设定以下5个处理：1灭菌对照,2对照,3正丁酸,4AQDS,5正丁酸＋AQDS。结果表明,厌氧培养20 d后,土壤中DDT可提取态残留量减少了85.2%～96.3%。DDT厌氧脱氯降解的主要产物为2,2-双（4-氯苯基）-1,1-二氯乙烷DDD。添加正丁酸在培养前8d显著提高产CH4速率,而对DDT脱氯降解无显著促进作用,第8天之后,随着产CH4速率降低,添加正丁酸处理的DDT脱氯速率逐渐升高。添加AQDS显著增强土壤还原性并加速三价铁氧化物还原生成电子供体二价铁,进而显著促进DDT还原脱氯降解。同时添加正丁酸和AQDS对促进DDT还原脱氯的效果最佳,但是正丁酸和AQDS对加速DDT还原脱氯无显著交互作用。本研究结果对于制定DDT污染土壤的高效原位修复技术方案具有指导意义。