温度及AQDS对氧化铁微生物还原过程的影响

【目的】研究水稻土中微生物铁还原过程的温度效应，揭示不同铁还原微生物的作用机理。【方法】采用5种水稻土为供试材料，分别提取微生物群落或分离铁还原菌株；以人工合成氧化铁作为惟一电子受体，在无机盐培养体系中接种土壤浸提液或具有铁还原功能的菌株，厌氧恒温培养；通过对接种液的不同温度处理（40，50，60，70℃）、对培养温度的控制（30和50℃）以及向体系中添加AQDS，探讨温度及AQDS对氧化铁微生物还原过程的影响。【结果】将来源于吉林、天津和湖南水稻土的浸提液在40～70℃处理1h后作为接种液，随着处理温度的升高，其Fe（Ⅱ）产生量和反应速率均呈逐渐降低趋势。在30和50℃培养温度下，来源于吉林、天津和四川的3种水稻土微生物群落添加AQDS可使Fe（111）还原的反应速率常数增加10％～288％，而温度变化的增加幅度仅为6％～17％；对分离自四川和江西水稻土中的6株铁还原菌的纯培养试验发现，菌株JX—a08的Fe（Ⅱ）最大累积量、还原速率常数、最大反应速率及铁还原率均随培养温度的升高明显增加，表明菌株JX-a08更适于在50℃下生长。【结论】于40～70℃升温处理后，来源于吉林、天津和湖南水稻土微生物群落的铁还原能力受到一定程度抑制；添加AQDS可显著增加来源于吉林、天津和四川水稻土的3种微生物群落的铁还原反应速率；在6株铁还原菌的纯培养试验中发现了1株更适于在50℃下生长的菌株。

关于右旋糖酐铁微生物限度检查方法适用性的研究

作为药物安全性研究的重要组成部分,微生物限度检查工作至关重要,也广受人们关注,右旋糖酐铁进行微生物限度检查期间,任何一个环节、不同负责公司培养基、稀释液等因素,都有可能对微生物限度检查准确性造成影响,导致最终结果发生偏差,所以有必要开展右旋糖酐铁微生物限度检查方法适用性研究。本文通过对右旋糖酐铁微生物限度检查方法的研究,极大地提高了检查方法,值得广泛推广。

改性剂添加量对改性微米铁-微生物耦合体系去除三氯乙烯效能的影响

基于球磨法的硫化与碳改性是提高微米零价铁(Micron zero-valent iron,mZVI)对三氯乙烯(Trichloroethylene,TCE)还原选择性的有效手段,但其改性效果常受改性剂添加量的影响,且其对改性mZVI和微生物耦合体系修复效能的影响尚未明确。本文通过构建多个硫化mZVI-微生物体系(S-mZVI bm/AB)和碳改性mZVI-微生物体系(C-mZVI bm/AB),系统研究改性剂添加量对改性mZVI-微生物耦合体系去除TCE和代表性共存电子受体NO_(3)^(-)的影响。实验结果表明:不同改性剂添加量的S-mZVI bm/AB和C-mZVI bm/AB体系均可显著促进TCE的去除,且促进程度随改性剂添加量的增加呈现先上升后下降的趋势;S-mZVI bm/AB体系可抑制NO_(3)^(-)的去除,且抑制程度随S/Fe摩尔比的增加呈现上升趋势,而C/Fe质量比不会影响C-mZVI bm/AB体系中NO_(3)^(-)的去除;S-mZVI bm/AB和C-mZVI bm/AB体系均可调控TCE及NO-3的产物构成,并均促进了饱和碳烃化合物及N_(2)生成,且该促进作用与改性剂添加量成正比。通过分析微生物群落结构探究了耦合体系脱氯及其脱氮的影响机制,发现在S-mZVI bm/AB和C-mZVI bm/AB体系中均存在大量参与脱氯和反硝化的细菌,反硝化菌的丰度高于脱氯菌,是NO_(3)^(-)快速去除和较高浓度N 2产生的原因。

土壤微生物铁循环及其环境意义

铁是土壤中重要的高活性高丰度元素。铁的生物地球化学循环包括铁还原与亚铁氧化两个过程,需要微生物提供基本驱动力,已经成为陆地表层系统研究的国际热点。铁循环控制着土壤有机物矿化、反硝化、甲烷产生、重金属固定等环境过程,是连结土壤养分循环与污染物转化的纽带。从生物地球化学循环的角度,综述了微生物作用下的铁还原、亚铁氧化过程及其主要微生物类群,重点论述了厌氧条件铁还原与亚铁氧化的环境效应及其地球化学机理,以及铁还原与亚铁氧化两个过程的协调及其调控因子。本文将有助于深入理解地球表层的关键环境过程与驱动机制。

有机碳源对水稻土中微生物铁还原特征的影响

水稻土中的Fe(Ⅲ)还原过程是微生物介导的生物学过程,是地球化学循环中重要的一部分。为了探讨不同的电子供体对水稻土异化铁还原过程的影响,采用厌氧泥浆的培养方式,向水稻土中添加葡萄糖、乙酸钠、丙酮酸钠、乳酸钠作为碳源,定期测定Fe(Ⅱ)的累积量和pH变化,并用Logistic方程对结果进行拟合分析。结果表明,供试的4种水稻土均能较好地利用葡萄糖、丙酮酸盐和乳酸盐还原Fe(Ⅲ),而乙酸盐则不同程度的抑制了铁还原过程的发生,特别是吉林水稻土添加乙酸盐后,这种抑制作用更明显。4种水稻土添加丙酮酸盐的处理具有最大铁还原速率(Vmax),并且达到最大铁还原速率的时间(TVmax)最短。不同来源水稻土微生物在利用碳源时具有一定的选择性。影响不同水稻土铁还原潜势的主要因素是水稻土中无定形铁的含量,土壤全磷含量过高时对铁还原过程也有一定的抑制作用,添加碳源后体系pH同Fe(Ⅱ)累积量之间表现出显著负相关。

微生物介导的铁氧化机制及应用研究进展

微生物介导的铁氧化过程是铁循环的重要组成部分。参与铁氧化过程的微生物主要是细菌和古菌,依据生长环境及电子受体情况可将其分为四类:嗜酸铁氧化菌、中性微氧铁氧化菌、中性厌氧光合铁氧化菌和中性厌氧硝酸盐还原铁氧化菌。铁氧化微生物驱动着环境中C、N、O、S等生源要素的元素地球化学循环。目前已经阐明的微生物铁氧化电子传递机制都有着一个共同范式,即亚铁都是在外膜细胞色素上被氧化,细胞从亚铁获得电子,由细胞外膜经周质电子传递蛋白,而后传递至细胞内膜各蛋白上,用于电子受体还原或固碳。现代环境中铁氧化微生物的研究已被广泛运用于地球早期生命演化研究、环境污染修复、新材料合成及生物浸矿等领域。铁氧化菌的分离鉴定、铁氧化代谢途径及其地球化学效应的详细解析及铁氧化在环境污染治理等方面还有大量的工作有待开展。

高温微生物铁还原条件下绿脱石对有机质的保存作用研究

粘土矿物在地表环境中广泛存在,并且与环境中的有机质紧密结合在一起。前人的研究发现,粘土矿物的可膨胀层间域可以有效地保存有机质,防止其在微生物诱导的氧化还原环境的波动的环境中被矿化。然而这一过程在高温条件下是否同样成立尚属未知。本文选取一种代表性有机质12-氨基十二酸(ALA)与典型含铁粘土矿物绿脱石(NAu-2)合成有机质-粘土矿物复合体,在两株高温-超高温铁还原细菌的作用后,通过多种水化学和矿物学的表征手段,研究其矿物结构的变化、有机质的结合稳定性和脱附情况。结果发现细菌对绿脱石结构铁的还原过程中造成的矿物结构的破坏(还原性溶解)是控制ALA从NAu-2中脱附的主要原因。高温条件也会略微促进ALA从NAu-2的层间域中脱附出来。总体来说,受限于微生物对结构铁的还原程度(<30%),最终在结构铁还原反应结束后还是有相当大量的ALA在层间保存了下来。这一结果证明了粘土矿物的层间域在高温条件下同样也能够作为有机质保存的有效场所。

Fe^0-生物铁法中铁的微生物腐蚀机理研究进展

归纳了生物铁法中铁的微生物腐蚀机理,分析了微生物腐蚀的影响因素,总结了相关研究技术。提出了Fe^0-生物铁法作为一种高效生物处理工艺用于水处理,如何控制该体系铁溶出,以及对相关监测技术的研究都是未来的发展方向。

铁耦合微生物脱氮工艺研究现状及展望

脱氮是目前环境的保护和修复过程中的热点问题,氮污染问题的加重及更高标准的水质指标对传统脱氮工艺提出了挑战。本文微生物脱氮和零价铁脱氮引入,分述了零价铁脱氮、微生物脱氮等传统工艺技术的研究,总结分析零价铁脱氮、微生物脱氮工艺的现有技术工艺原理及其面临的问题,重点讨论了零价铁和微生物在零价铁耦合微生物脱氮中所起到的作用。并进一步将现有零价铁耦合微生物脱氮技术的研究成果进行了整理和分析,有利于对零价铁耦合微生物脱氮的进一步研究,对相关工艺技术的开发提供参考。

微生物异化Fe(Ⅲ)还原及其作用机制研究

微生物异化Fe(Ⅲ)还原是一个重要的生物及地球化学过程。文章围绕异化Fe(Ⅲ)还原细菌系统介绍了其代谢机理,对微生物异化Fe(Ⅲ)还原在地球化学中元素迁移和有机污染治理等环境修复方面的作用进行评述和展望。

生物质炭对水稻土中脱氢酶活性和铁还原过程的影响

为探究添加生物质炭对淹水稻田体系脱氢酶活性及土水界面铁还原过程的影响,选择2种不同地区水稻土,采用土壤泥浆厌氧培养试验方法,分析添加不同粒径生物质炭后泥浆培养体系中脱氢酶活性、pH以及Fe(Ⅱ)浓度的变化。结果表明:生物质炭能够提高水稻土厌氧培养体系的脱氢酶活性,促进微生物铁还原进程。脱氢酶活性和铁还原能力随着生物质炭粒径的减小而增大。未添加生物质炭的处理中,2种水稻土脱氢酶活性最大分别为3.13,2.60μg/(ml·g·min),Fe(Ⅱ)累积量最高分别为8.07,7.44mg/g;通过添加生物质炭,2种水稻土培养体系脱氢酶活性最大分别达4.35,4.18μg/(ml·g·min)、Fe(Ⅱ)累积量最高分别为9.01,8.18mg/g。典范对应分析显示,水稻土初始pH与最大铁还原潜势及达到最大铁还原速率对应的时间呈极显著相关,表明生物质炭对铁还原过程的影响因土壤性质不同而存在差异;脱氢酶活性、Fe(Ⅱ)累积量之间呈现极显著的相关关系,两者在培养过程中相互促进。

水稻秸秆生物质炭对Shewanella oneidensis MR-1异化铁还原过程的抑制作用及其潜在机制分析

为进一步明晰生物质炭影响微生物异化铁还原过程的机制,本研究综合采用微生物细胞悬浮液培养、激光扫描共聚焦显微镜成像、介导电化学分析等技术手段,探究了铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1在不同生物质炭和水铁矿浓度下的铁还原动力学规律及其潜在反应机制。结果表明:水稻秸秆生物质炭能够强烈抑制微生物的铁还原速率,且其抑制效应极大地受Fe(Ⅲ)浓度的影响,而具有较强给电子能力的生物质炭能化学还原水铁矿,降低微生物铁还原过程中的初始Fe(Ⅲ)浓度。同时,显微成像发现生物质炭表面附着有微生物细胞并形成聚合体,但在聚合体中未观察到水铁矿。研究表明,水稻秸秆生物质炭能够抑制微生物铁还原过程,其抑制作用可能与生物质炭对水铁矿的化学还原降低初始Fe(Ⅲ)浓度以及对细胞进行吸附有关。

微生物异化还原水铁矿介导的Ca-Fe碳酸盐矿物形成:对铁白云石成因的启示

白云石的成因机制至今仍是地球科学领域的一个谜题(“白云石问题”).铁白云石等碳酸盐矿物具有类白云石晶体结构,因此研究这些矿物的形成机制可为解答“白云石问题”提供新线索.本研究利用一株海洋异化铁还原菌(Shewanella piezotolerans WP3),在不同钙离子浓度(0~20mmol/L)条件下,通过氧化乳酸盐诱导水铁矿还原转化为次生碳酸盐矿物,以此评估微生物在铁白云石形成过程中的作用.实验结果表明,加入Ca^(2+)可以增强S.piezotolerans WP3细胞与水铁矿颗粒之间的黏附作用,从而提高反应体系中Fe(Ⅲ)还原速率.在不同Ca^(2+)浓度条件下,菌株WP3诱导生成的次生碳酸盐矿物类别有所差异:在0mmol/L Ca^(2+)体系中生成菱铁矿,而含钙体系中则为Ca-Fe碳酸盐固溶体,且这些固溶体的钙离子含量与反应体系中初始的Ca^(2+)浓度呈正相关关系.值得注意的是,在20mmol/L Ca^(2+)体系中生成的Ca-Fe碳酸盐固溶体化学组成为Ca0.8Fe1.2(CO3)2,与铁白云石类似.此外,这些微生物成因的“类铁白云石”具有纳米晶粒的形态,晶体结构中钙和铁元素呈无序分布,并且发育较多晶体缺陷.进一步成岩模拟实验证明,“类铁白云石”可以在水热条件下转化为有序铁白云石.基于成分类比性和转化规律,微生物成因的“类铁白云石”可能是沉积物(岩)中铁白云石的重要前驱体,可以被定义为“原铁白云石”.以上新发现对理解微生物在铁白云石乃至白云石形成中的贡献具有重要的启示意义.

三氯生的生物毒性及零价铁技术去除三氯生的研究进展

三氯生是一种广谱抗菌剂,其生物毒性包括急性毒性、内分泌干扰效应和遗传毒性。零价铁因无毒、含量丰富、价格低廉、强还原性优点而被用于水中三氯生的去除。综述了不同零价铁材料去除三氯生的影响因素和降解机理。此外,鉴于零价铁去除三氯生的局限性,提出零价铁耦合微生物工艺强化三氯生去除效果。最后归纳了零价铁材料用于水中三氯生去除存在的问题,对零价铁耦合微生物技术未来发展前景进行了展望。

前寒武纪层状铁建造研究现状与方向

层状铁矿主要赋存于前寒武纪地层中,呈层状、似层状产出,最典型的层状铁矿是前寒武纪的条带状铁建造BIF和冀西北古元古界长城系的宣龙式铁矿。其中,BIF是世界上最主要的铁矿类型,其成因一直是研究者关注和争论的焦点。目前对BIF成因主要有非生物成因与生物成因两种观点。近年来,越来越多的证据表明微生物参与了BIF的形成,甚至可能在BIF的形成中发挥了主导作用。本文对BIF的生物成因假说进行了总结与归纳,如蓝细菌能够产生铁矿物形成所需的氧气,铁细菌的新陈代谢可为BIF形成的关键控制因素,趋磁细菌体内的磁小体可保存在地层中,一些尚未被精确识别的微生物参与了BIF的形成,等等。宣龙式铁矿是我国著名的层状铁建造类型之一,具有肾状和鲕粒状两种结构。前人根据宣龙式铁矿中微生物化石的存在和与碳酸盐叠层石、核形石的相似性,将其解释为生物成因。微生物碳酸盐岩识别方法的研究近年来有重要发展。本文在总结宣龙式铁矿形成机制研究现状的基础上,提出了BIF的研究可以同时借鉴宣龙式铁矿和微生物碳酸盐岩的研究方法,通过显微学技术手段的应用,寻找BIF中微生物成因的结构,建立识别微生物型BIF的方法,提升对层状铁建造形成机制的认识水平。

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.

稳定纳米铁与反硝化菌耦合去除地下水中硝酸盐的研究

利用液相还原法制备壳聚糖稳定纳米铁、油酸钠稳定纳米铁和普通纳米铁,在无氧条件下将其分别与反硝化细菌耦合用于地下水中硝酸盐污染物的去除研究,探讨不同纳米材料与反硝化菌的耦合体系去除硝酸盐的速率和产物,并通过测定体系中反硝化细菌总RNA浓度的变化来研究纳米材料对反硝化菌的毒害作用。结果表明,耦合体系均在9d内将硝酸盐完全去除,反应过程中有大量亚硝酸盐产生,但随着反应的进行又逐渐消失,3种耦合体系的脱氮产物中均有氨氮产生,油酸钠稳定纳米铁体系、普通纳米铁体系、壳聚糖稳定纳米铁体系产生的氨氮比例分别为15、37和58。反应后3种耦合体系中反硝化菌总RNA浓度的降低率分别为壳聚糖稳定纳米铁体系37、纳米铁体系30、油酸钠稳定纳米铁体系21,可见不同纳米材料对细菌毒性大小顺序为壳聚糖稳定纳米铁>普通纳米铁>油酸钠稳定纳米铁。综合反应速率、产物和对细菌的毒性各个方面因素,油酸钠稳定纳米铁与反硝化细菌的耦合效果最好。

不同浓度硫酸盐对水稻土中异化铁还原过程的影响

研究不同电子受体之间的竞争关系对揭示厌氧水稻土中微生物作用导致的氧化还原过程变化机理具有重要的理论意义。本研究采用土壤泥浆厌氧培养、人工合成氧化铁体系接种土壤浸提液厌氧培养及接种铁还原菌纯培养等试验方法,通过向培养体系中添加SO24-,探讨了硫酸盐作为竞争电子受体对不同铁还原体系中Fe(Ⅲ)还原的影响。结果表明,在2种水稻土的泥浆培养过程中,Fe(Ⅲ)还原速率均随着SO24-浓度增加而降低,但Fe(Ⅱ)的最终累积量却较对照处理有明显的增加。添加硫酸盐对Fe(Ⅲ)还原速率(k)的影响表现为:石灰性水稻土>酸性水稻土;而最终Fe(Ⅱ)累积增加率则为:酸性水稻土>石灰性水稻土。由接种不同水稻土浸提液的培养试验看出,添加SO24-后Fe(Ⅲ)还原受到显著的抑制,但随着培养时间延长Fe(Ⅲ)还原反应依然可以进行,并且Fe(Ⅱ)累积量最终达到与CK相同的水平。在接种铁还原菌的纯培养试验中,添加SO24-对供试的4株铁还原菌的Fe(Ⅲ)还原过程并未产生抑制效应,表明铁还原菌本身并不受硫酸盐的影响。

纤维素作为电子供体对异化铁还原过程的影响

【目的】明确不同来源的铁还原微生物对纤维素的利用特征,探讨不同水稻土中铁还原微生物群落利用纤维素功能的差异,以及电子供体浓度与氧化铁还原的关系。【方法】以来源于吉林、天津、四川的水稻土为供试材料,分别采用土壤泥浆培养、水稻土微生物群落厌氧培养及纯培养试验方法,研究了添加纤维素作为电子供体对氧化铁微生物还原过程的影响。【结果】土壤泥浆厌氧恒温培养试验表明,与不添加纤维素的对照相比,添加5-40 g/L纤维素后,四川、吉林和天津水稻土中Fe（Ⅲ）还原的最大潜势分别增加10.5%-16.0%,-1.9%-0.6%及5.3%-14.4%,反应速率常数分别增加19%-89%,53%-96%及75%-164%,最大反应速率（Vmax）分别增加37%-109%,41%-79%及74%-148%。不同纤维素处理间的pH值有明显变化。在接种吉林、天津、四川和湖南水稻土微生物群落的处理中,当纤维素质量浓度为2-10 g/L时,其Fe（Ⅱ）的累积量分别为341.62-493.87,90.75-246.78,164.02-540.16和235.47-488.75 mg/L。随着添加纤维素浓度的增大,Vmax亦呈增大趋势。12株铁还原菌株的纯培养试验中,有4株菌的Fe（Ⅲ）还原率达到20.9%-23.6%,6株菌的Fe（Ⅲ）还原率为16.17%-19.94%,2株菌的Fe（Ⅲ）还原率仅为9.64%和9.66%。【结论】添加纤维素可使Fe（Ⅲ）还原的最大反应速率及速率常数增加,添加的纤维素浓度越大,其增加幅度越大。不同水稻土微生物群落,利用纤维素还原铁的能力具有明显差异。与接种不同水稻土微生物群落的铁还原过程相比,纯培养试验的Fe（Ⅱ）累积量明显较低,12株铁还原菌株直接利用纤维素的能力也较为有限。

铁碳布空气阴极微生物燃料电池的产电性能

使用铁代替铂作为阴极催化剂,制作含铁碳布空气阴极并构建单室MFC(Fe-C-ACMFC)。以乙酸钠为燃料,通过稳态放电法和循环伏安测试等测试手段,分析了不同铁含量对Fe-C-ACMFC产电性能的影响以及性能最优Fe-C-ACM-FC的连续运行稳定性。结果表明,随着铁含量的增加,Fe-C-ACMFC启动期开路电压(OCV)逐步提高,达到峰值后,随着铁含量的增加而降低;同样,Fe-C-ACMFC极化性能和功率密度等产电性能也随铁含量的增加先升高再降低;当铁含量为0.7 mg/cm2时,MFC的产电性能最优,最大开路电压为593 mV,表观内阻为89Ω,最大功率密度达到12 907 mW/m3,并且经循环伏安测试,电池放电容量几乎没有变化,表明Fe-C-ACMFC的性能比较稳定,能够长期运行。由于铁催化剂价格远远低于铂催化剂,因此,铁碳布空气阴极MFC更利于推广应用。