嗜酸铁还原菌JF-5改性镧膨润土吸附砷及其矿物颗粒迁移研究

利用嗜酸铁还原菌(Acidiphilium cryputum JF-5),通过生物还原技术释放膨润土中的Fe^(2+)以强化镧改性,从而得到一种新型生物镧改性膨润土。通过等温吸附实验考察生物镧改性膨润土对As(Ⅴ)的吸附效果,并与国际上商用的锁磷剂(Phoslock)进行对比,通过柱实验探讨生物镧改性膨润土在石英砂柱中的迁移行为。结果表明:(1)JF-5能够强化膨润土还原释放Fe^(2+),从而加强La^(3+)负载,低固液比(1.6 g/L)下制备生物镧改性膨润土具有最高的La^(3+)负载量(370 mg/g)。(2)生物镧改性膨润土对As(Ⅴ)的吸附行为符合Freundlich模型,最大吸附量为7.58 mg/g,与Phoslock的最大吸附量(3.08 mg/g)相比大幅提高;对As(Ⅴ)的吸附动力学过程与Phoslock相似,均能在4 h内快速去除As(Ⅴ)。(3)生物镧改性膨润土在石英砂柱中的迁移行为可以用对流扩散模型描述,在0.38、0.77、1.54 mL/min的流速下,生物镧改性膨润土在石英砂柱中的滞留量分别为3.68、3.77、2.29 mg,可见中等流速条件下溶液在石英柱中能够更充分接触介质从而提高滞留量。

杧果铁还原酶(FRO)编码基因的鉴定与表达模式分析

铁(Fe)是植物生长发育的必需微量元素之一,参与植物体内多种生命活动和代谢过程。有关铁素吸收、转运和分配吸收的分子机制研究主要体现在一年生模式作物,果树中铁吸收与转运相关基因的生物学功能依然未知。本研究从二倍体杧果桂热82中克隆并鉴定了11个铁还原酶(FRO)编码基因,命名为MiFRO1~MiFRO11;除MiFRO1缺失Motif2~Motif5基序外,其他MiFROs均含有10个典型的Motif基序,除MiFRO3具有独特的三级结构外,其他MiFROs拥有相近的三级结构;11种不同科、属植物FRO蛋白的氨基酸水平一致性约为42.07%,MiFROs的氨基酸水平一致性约为62.43%;系统进化树表明MiFROs倾向于单独聚集在一起,在系统发育树上与其他10种植物的同源蛋白进化距离较远;实时荧光定量PCR表明MiFRO8在杧果树体中的整体表达水平最高,MiFRO4、MiFRO5、MiFRO8和MiFRO11在成年树体新生叶片和嫁接苗叶片中的表达量最高,MiFRO6和MiFRO7在成年树体新生韧皮部和嫁接苗茎部的表达水平最高,MiFRO1和MiFRO10在幼果的表达水平最高,MiFRO2和MiFRO9在嫁接苗根部的表达量最高,而MiFRO3在盛开期花朵中的表达量最高。此外,MiFROs在根部易受缺铁和NaCl胁迫的诱导而显著增加;MiFRO3、MiFRO5和MiFRO8受高铁毒害的抑制,表达量降低;MiFRO2、MiFRO5、MiFRO7受ABA胁迫,其表达量增加;MiFRO1、MiFRO5受PEG胁迫,其表达量增加,MiFRO2、MiFRO6和MiFRO7受低温(4℃)抑制,其表达量降低,但MiFROs对热胁迫(45℃)不敏感。本研究为明确杧果铁的吸收与转运机制提供基因资源,并为解析热带作物果树铁素营养与高效利用奠定理论基础。

铁还原细菌矿化产物及其对铁建造沉积的指示意义

铁还原细菌是微生物诱导矿化的典范之一,它可以利用有机质或氢气作为电子供体还原三价铁,并在细胞外矿化形成多种含铁矿物,比如磁铁矿、菱铁矿、蓝铁矿和绿锈等矿物,从而广泛参与自然界中铁元素的生物地球化学循环过程。本文主要介绍铁还原细菌矿化产物的矿物特征、形成条件和影响因素。此外,通过实验室内建立严格厌氧的环境体系,以与微量元素共沉淀的水合氧化铁为底物,本研究分别利用Feap2+和铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4合成非生物成因和生物成因的磁铁矿,结果发现微量元素的存在会改变磁铁矿的形貌和粒径。结合前人提出的微生物可能参与铁建造沉积的过程,本文评估了微量元素作为识别矿物成因指标的有效性,探讨铁还原细菌矿化产物对铁建造沉积的潜在贡献。

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。

硫酸盐还原菌与铁还原菌联合释放含砷水铁矿中砷及渗透性研究

水铁矿是土壤中常见的铁氧化物矿物,也是主要的载砷矿物。从水铁矿中释放砷,是缓解土壤砷污染的一种途径。本文拟通过硫酸盐还原菌(SRB)和嗜酸铁还原菌(JF-5)生物还原含砷水铁矿(As-Fh),促进其砷释放,以达到土壤修复目的。为此,利用采集自湖南石门矿区的典型含砷水铁矿,进行两种微生物摇瓶实验和生物注入水铁矿柱实验,探究水铁矿释放砷浓度及形态、生物溶解过程中悬浮颗粒物变化以及体系渗透性问题。研究结果表明:①在两个循环周期下,从释放的砷总量可看出,JF-5+SRB操作>JF-5+JF-5操作>SRB+JF-5操作>SRB+SRB操作,对应这些操作每克水铁矿能够分别释放16.4、16.2、7.3和3.3 mg的砷;②水化学分析也表明同等操作下SRB能够提供比JF-5更强的还原性;③生物柱实验表明,相比于SRB来说,JF-5的注入能够产生平均浓度1419 mg/L的铁系悬浮颗粒物,是SRB的7.25倍;同时两种生物操作过程下,SRB柱体系渗透性(平均水压差为0.51 psi)显著优于JF-5(平均水压差为2.22 psi),高悬浮颗粒的分散是引起渗透性变化的主因。上述结果证明连续注入SRB于水铁矿体系,是一种有效的降低土壤中砷浓度的技术。

沉积物异化铁还原耦合植酸去磷酸化

研究沉积物中微生物驱动的异化铁还原与有机磷降解转化的耦合作用,对深入阐明水体富营养化发生机制、控制环境磷污染和应对潜在的全球性磷危机具有重要的现实意义。该研究以沉积物异化铁还原与有机磷降解转化耦合的环境效应为切入点,探究了异化铁还原促进植酸有机磷去磷酸化的可行性。首先通过对武汉东湖自然沉积物中有机磷与亚铁含量的监测,以及两者之间的相关性分析,发现在以有机质降解为驱动力的早期成岩过程中,三价铁逐渐被还原为亚铁,同时伴随着有机磷含量的降低,揭示沉积物中铁的异化还原可能促进有机磷的降解转化;接着利用富集的沉积物内源微生物群落在实验室构建“异化铁还原微生物群落+水铁矿+植酸”微宇宙模拟系统,开展了铁还原微生物群落驱动异化铁还原对植酸有机磷降解转化作用的研究,进一步证实铁的异化还原能促进植酸有机磷的去磷酸化并生成PO_(4)^(3-),很可能是诱导水体富营养化的潜在新机制。

葡萄铁还原酶FRO基因的克隆、鉴定与表达模式分析

以自主创新品种‘烟酿1号’葡萄为材料,筛选并克隆葡萄FRO家族基因,对其进行生物信息学鉴定和表达特征分析,为研究果树铁素营养与吸收利用机制提供理论依据。通过同源克隆法从‘烟酿1号’中克隆和鉴定了6个FRO家族基因,命名为VvFRO1~VvFRO6,属于典型的植物铁还原酶编码基因;10种不同科、属植物FRO蛋白的氨基酸水平一致性约为43.66%,分为2个亚族(Group Ⅰ和Ⅱ),其中,VvFRO1~VvFRO3属于Group I,VvFRO4~VvFRO6属于Group Ⅱ;系统进化树表明VvFRO倾向于与资阳香橙和小金海棠的同源蛋白紧密聚在一起;VvFRO蛋白主要定位于细胞质膜,均含有10~11个跨膜区;实时荧光定量PCR分析表明,VvFRO3在‘烟酿1号’葡萄不同组织中的整体表达水平最高,VvFRO3和VvFRO2在成年树体叶片和幼苗叶片中高量表达,VvFRO5在硬核期和膨大期果实中高量表达,而VvFRO1、VvFRO4和VvFRO6的整体表达水平相对较低。此外,葡萄FRO家族基因在根部易受缺铁、200 mmol/L NaCl和10%PEG6000(w/v)处理的诱导而显著增加,但对低温(4℃)和热(45℃)胁迫变化不敏感,VvFRO3在根部的表达量受ABA处理显著诱导而上调,但受50μmol/L高铁毒害显著抑制而降低。本研究可为解析葡萄铁的吸收与转运机制奠定分子基础。

铁还原菌对土壤胶体吸附与释放砷的影响

为研究铁还原微生物对土壤胶体调控砷(As)地球化学行为的影响机制,选用铁还原菌Geobacter metallireducens作用于土壤胶体,设计开展了土壤胶体的As吸附实验和不同pH条件下载As胶体的释放实验。结果表明:铁还原菌作用下胶体悬液Eh降至-222 mV,有助于形成强还原环境;当无菌作用时,土壤胶体随Fe(II)产生及释放量的增多对As(V)的吸附能力逐渐减弱;当有铁还原菌作用时,土壤胶体对As的最大吸附量较无菌组低6.14 mg/kg,但随厌氧处理时间的增加,其对As(V)的吸附能力呈增强趋势。在释放试验中,在pH=3条件下,铁还原菌对土壤胶体吸附As(V)的释放影响较弱,铁氧化物还原释放的As(III)仅占14.26%,以酸溶解为主;初始pH=7时总As释放量与悬液pH、Fe(II)含量呈线性关系,As(III)释放量较酸性条件提高6.7倍。该成果可为深入认识土壤微生物对As迁移转化的影响提供理论依据。

生物炭施用下亚热带红壤铁还原及磷形态转化关系研究

[目的]研究降雨丰沛,土壤水分长期饱和条件下生物炭对杉木人工林土壤铁还原的影响,分析土壤铁还原菌、解磷菌群落结构变化规律,最终明确生物炭对土壤铁还原的影响及与磷形态转化的关系。[方法]以杉木人工林红壤为供试土壤,收集林下杉木叶烧制成300℃和500℃生物炭,以0、1%、3%占比添加生物炭进行40 d的室内培养。测定土壤基本化学养分,采用修正后的Hedley方法测定土壤中不同磷素形态含量,利用高通量测序技术分析土壤解磷菌与铁还原菌群落结构。[结果]淹水处理后土壤活性磷含量增多,并且随生物炭添加量的增加而增加,其中水溶态有机磷和碳酸氢钠态无机磷占比较大;残渣态磷含量随生物炭添加量的增加而减少。淹水处理组的铁还原菌基因拷贝数高于非淹水处理组,且同一水分条件下随生物炭烧制温度的增加而增加,淹水处理组的亚铁离子含量远高于非淹水处理,且随生物炭添加量的增加而降低,淹水处理组的土壤化学性质例如pH、全碳、全磷含量高于非淹水处理组,且随生物炭添加量的增加而上升。在淹水处理中土壤解磷菌群落丰富度随烧制温度的升高而增加,并且解磷菌群落结构和多样性增强。[结论]厌氧条件促进Fe(Ⅲ)还原,生物炭的添加改变了土壤化学性质,影响土壤解磷菌群落结构和多样性、铁还原菌的生长微环境,在微生物与Fe(Ⅲ)还原的双重作用下,促进残渣态磷与氢氧化钠态磷向水溶态磷和碳酸氢钠态有机磷转化,增强了土壤磷素有效性。因此,在南方降雨充沛地区,杉木人工林施加生物炭能够改善土壤养分状况,为杉木生长提供足够磷素。

脱色希瓦氏菌S12的铁还原性能研究

从印染废水中分离得到了一株具有染料脱色功能的希瓦氏菌脱色新种。该菌能在厌氧条件下利用Fe3+作为末端电子受体获得能量,支持细胞生长。在pH8．0,温度30℃,柠檬酸铁800mg／L,乳酸钠2g／L,酵母抽提物0．5g／L的条件下,培养8h的过程中,菌体细胞量的增长完全与Fe3+的还原发展趋向一致。同时考察了碳氮源、乳酸钠、酵母抽提物、pH值和温度等方面对该菌株的生长和铁还原特性的影响。结果表明,菌体生长以LB为最好,以葡萄糖和乳酸钠为碳源时对铁还原有利。在酵母抽提物浓度4g／L范围内,菌体生长量和铁还原率随着酵母抽提物浓度的提高而提高。当乳酸钠为6g／L时,S12菌体生长量和铁还原率达到最佳。柠檬酸铁浓度为800mg／L时菌体生长量和铁还原率最高。在起始pH6～8的范围内,菌株S12的生长随着pH升高而升高,这也是菌株S12进行铁还原的最佳pH范围。菌株S12在温度范围20℃-40℃内均可生长和进行铁还原,而以30℃时最佳。

水稻土中铁还原菌的分离纯化及铁还原能力分析

【目的】对水稻土中铁还原菌进行分离纯化,比较不同培养基的分离效果,研究不同菌株的铁还原特征。【方法】以四川和江西水稻土为材料,采用PTYG固体平板培养基及柠檬酸铁固体培养基（斜面）分离出兼性厌氧和严格厌氧的菌株,并通过柠檬酸铁液体培养基及Fe（OH）3培养基进行铁还原能力测定,比较不同菌株的Fe（Ⅲ）还原率大小、铁还原特征曲线,以及分别在LB液体培养基和柠檬酸铁液体培养基中的生长曲线。【结果】在以葡萄糖为碳源时,来源于江西水稻土的8个菌株对柠檬酸铁的利用率较高,铁还原率为84.34%-93.81%,而对Fe（OH）3的还原率为71.07%-90.90%;来源于四川水稻土的8个菌株对柠檬酸铁的还原率为83.78%-93.52%,而对Fe（OH）3的还原率为88.19%-99.84%。严格厌氧菌株的铁还原速率较快,在培养3 d后20个菌株的铁还原率都在90%以上,利用柠檬酸铁的铁还原率为90.49%-97.93%,利用Fe（OH）3的为94.03%-99.57%。在LB液体培养基及柠檬酸铁液体培养基中,不同菌株的对数生长期为10-25 h,前者的延滞期较短,而后者的细胞产量较大。【结论】由四川和江西水稻土中获得了对柠檬酸铁和Fe（OH）3具有高效利用率的铁还原菌株,其中严格厌氧菌株对2种铁源的利用率均明显大于兼性厌氧菌株。兼性厌氧铁还原菌株为革兰氏阴性芽孢杆菌,严格厌氧铁还原菌株为革兰氏阳性,有芽孢,属梭状杆菌。铁还原菌的生长与Fe（Ⅲ）的还原具有耦合关系。

不同形态铁氧化物与铁还原过程的耦合关系

铁(Fe)是地球地壳中丰度最高的重要金属元素,对氧化还原非常敏感,是水环境中生物最重要的生源要素之一。铁氧化物具有活性高并且容易随环境条件改变而改变等特点,它对重金属起到吸附和共沉淀作用,能降低污染物在土壤中的迁移率和生物毒性,近年来在重金属污染土壤的原位修复方向上已得到广泛的应用。异化铁还原是指在Fe(Ⅲ)还原菌介导条件下,在以不溶性铁氧化物为电子受体,在电子供体的氧化过程中得到能量,耦联Fe(Ⅲ)使其还原。微生物异化还原驱动下可使铁氧化物晶型发生改变。在缺氧或厌氧体系中,不同铁氧化物还原能力存在差异,施加不同浓度量铁氧化物时Fe(Ⅲ)还原能力不同。铁氧化物状态的转变也会发生能量的转变,因此研究关于铁元素的转化过程有着重大意义。基于此,介绍了铁在生物地球化学循环中运作机理和异化铁还原机制,着重介绍了铁氧化物与铁还原的内在关系,有助于了解异化铁还原微生物驱动的铁元素的生物地球化学循环。

土壤异化铁还原及其在污染控制中的应用

铁是土壤环境中氧化还原反应重要的变价元素.异化铁还原是自然界中铁还原的主要方式.异化铁还原与有机污染物的转化、重金属的老化、固定及营养物质的转化过程密切相关,具有重要的环境效应.本文较为详细地综述了土壤异化铁还原的机制、影响因素及污染控制应用研究现状,并提出了今后研究工作的重点.

零价铁还原和过硫酸盐氧化联合降解水中硝基苯

将零价铁(Fe0)的还原和过硫酸盐(persulfate,PS)的高级氧化技术结合用于水中难降解有机污染物硝基苯的去除.研究结果表明,Fe0在常温常压下可将硝基苯还原生成苯胺,随着Fe0投加量的增加,硝基苯还原为苯胺的速率逐渐增大.PS本身对硝基苯氧化作用不明显,但在Fe0与PS二者联合体系中,硝基苯和苯胺同时被去除,而且随着PS投加量的增加二者被去除的速度也随之增加.在Fe0还原和PS氧化联合处理硝基苯的体系中可能存在两个过程,一是Fe0还原硝基苯产生苯胺和二价铁离子Fe2+,二是Fe2+催化PS产生强氧化性的硫酸根自由基将苯胺氧化降解.

外源物质对水稻土铁还原的影响

在厌氧恒温培养条件下 ,测定了添加 EDTA、黄腐酸及醋酸盐对 4种不同水稻土中铁还原的影响。为了探讨不同土壤中微生物对铁的还原能力 ,以添加人工合成的 Fe(OH ) 3作为对比。结果表明 ,添加黄腐酸及醋酸盐对铁还原的影响在不同水稻土中表现不同 ,其中吉林和广东水稻土的变化明显 ,并且醋酸盐的作用大于黄腐酸 ;四川和江西水稻土添加黄腐酸及醋酸盐后铁还原量与对照没有显著差异。添加 Fe(OH) 3在吉林水稻土中能够引起铁还原的滞后现象 ,但最终的铁还原量与四川及江西水稻土相似 ,都较对照有明显的增加。在 2 5℃条件下培养 ,不同土壤中易还原氧化铁的数量不同 ,表现为吉林水稻土 >四川水稻土 >广东水稻土 >江西水稻土 ,其中广东水稻土中具有很大的铁还原潜力。

光照对水稻土中氧化铁还原的影响

选择不同地区的水稻土样品,采用泥浆厌氧恒温培育方法,在避光和光照条件下,测定了培养过程中土壤泥浆的Fe(Ⅱ)浓度及叶绿素a含量的变化。结果表明:光合微生物的产氧作用是影响水稻土中铁还原的主要原因,而光照对铁还原微生物没有直接影响;光合微生物仅在某些水稻土中大量繁殖,其叶绿素a含量随着光照时间延长由逐渐增加到趋于稳定。通过微生物镜检和光谱分析发现,由天津和四川水稻土中分离的光合微生物主要是念珠蓝细菌(Nostocsp.)和鱼腥蓝细菌(Anabaenasp.),其吸收光谱曲线均具有664 nm的叶绿素a吸收峰,表明其具有利用光合系统Ⅱ进行产氧光合作用的特征。在厌氧培养过程中Fe(Ⅱ)浓度与土壤中叶绿素a含量变化有着明显的负相关关系。

铁还原菌株P4的碳源利用特征及其系统发育学分析

【目的】从水稻土中分离铁还原微生物,研究不同碳源对其铁还原特征的影响,对分离的铁还原微生物进行系统发育学分析。【方法】对采自四川的水稻土进行厌氧恢复培养,通过PTYG选择性夹层培养基分离纯化及LB液体培养基扩繁后,接种到Fe（OH）3培养基中进行铁还原能力鉴定,筛选出具有铁还原功能的铁还原菌株。通过对6种碳源利用的纯培养比较,确定分离菌株利用不同碳源时的铁还原特征。采用通用引物进行PCR扩增,对PCR产物进行16S rDNA序列分析,建立系统发育进化树。【结果】分离得到1株具有铁还原功能的革兰氏阳性杆状厌氧菌株P4,其在培养的10-30 h达到对数生长期。菌株P4利用不同碳源时,铁还原的最大反应速率（Vmax）大小顺序为：葡萄糖〉丙酮酸盐〉乳酸盐〉琥珀酸盐〉丙酸盐〉乙酸盐。菌株P4利用葡萄糖和丙酮酸盐的Fe（Ⅲ）还原率分别为63.79%和22.19%,而其他几种碳源的铁还原率均在10%以下。采用PCR技术获得了1 325 bp的铁还原菌株P4的部分16S rDNA序列。菌株P4与多种不可培养的厌氧菌株及丁酸梭状芽孢杆菌具有98%的同源性。【结论】从四川水稻土中分离得到了G^＋、杆状、圆末端的铁还原菌P4,其在培养10-30 h能够达到对数生长期。葡萄糖和丙酮酸盐可作为菌株P4的优势碳源。菌株P4可归属为厌氧丁酸梭状芽胞杆菌。

添加铬、铁及葡萄糖对土壤中异化铁还原的影响

采用水稻土为供试土壤,通过添加氧化铁、铬酸盐和葡萄糖的模拟试验,在厌氧培养条件下测定了土壤中可浸提态的亚铁和铬( )浓度的变化,探讨了有机碳源及Cr( )、Fe对厌氧条件下水稻土中微生物铁还原的影响及Fe( )和Cr( )还原的竞争关系。结果表明,添加碳源和氧化铁后,能有效促进厌氧条件下水稻土中铁的异化还原过程,显著减小土壤中铬( )浓度;添加Cr( ),将导致土壤中铁还原滞后;厌氧水稻土中Fe( )和Cr( )的竞争还原机制为,有机电子供体导致氧化铁发生微生物还原,产生的Fe( )引起土壤中Cr( )的化学还原。

不同来源堆肥腐殖质还原菌异化铁还原能力评估与调控

通过富集不同来源堆肥过程中的腐殖质还原菌,并分析比较其异化铁还原能力差异,发现其电子转移能力从大到小依次为:蛋白类>纤维素类>木质素类.相关性分析表明,Leucobacter、Clostridiumsensustricto和Sporosarcina是极显著影响异化铁还原的腐殖质还原菌属.利用冗余分析探究关键腐殖质还原菌与堆肥过程微环境因子的响应关系,结果发现可溶性有机氮是影响这些关键腐殖质还原菌变化的主要微环境因素.在此基础上,基于堆肥微环境因子与关键腐殖质还原菌菌群结构之间的响应关系,提出一种促进异化铁还原相关的腐殖质还原菌生长的调控方法.本研究可以深入了解堆肥中影响腐殖质还原菌群落的关键因素,而且对于环境中污染物生物地球化学循环也具有重要的生态学意义.