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。

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。

南大西洋中脊热液区异化铁还原微生物及其矿化产物分析

【目的】从深海热液区获取异化铁还原微生物(Dissimilatory iron reducing microorganisms,DIRM),分析其矿化速率和矿化产物,认识其参与的深海生物地球化学循环。【方法】以羟基氧化铁(FeOOH)为电子受体,以乙酸等简单有机物做电子供体,在60°C恒温厌氧条件下,对南大西洋中脊深海热液区硫化物样品中的DIRM进行富集、培养;采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)以及能谱仪(EDS)等方法对矿化产物进行形貌观察与成分分析。【结果】从2个硫化物样品中,共获得了139个铁还原培养物,它们均能将培养基中FeOOH (Fe3+90 mmol/L)转化为矿化产物。电镜下可见明显的晶体形态,以立方体形晶体为主,边长为5.0–20.0 nm;EDS分析表明,所有矿物晶体的主要元素为铁和氧,推测是由菱铁矿和磁铁矿组成的混合矿物。矿物晶体形成的时间差异较大,从3d到54d不等,多数培养物可在11 d到20 d内形成晶体。微生物多样性表明,培养物中优势菌主要为厚壁菌门(Firmicutes)和广古菌门(Euryarchaeota),包括一氧化碳胞菌(Carboxydocella)与脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)近似新物种(16SrRNA基因同源性89%–91%)和广古菌地丸菌(Geoglobus)。【结论】热液区高温厌氧细菌与古菌可以利用简单有机物为电子供体进行铁还原,形成铁氧化物晶体。实验结果对于微生物参与铁元素的生物地球化学循环与矿物形成的潜力具有支持作用。然而它们是否参与了热液区铁元素的生物地球化学循环与矿物形成还需要大量研究工作验证。

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。

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。

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.

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。

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。

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.

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。

生物炭对减弱土壤盐渍化的贡献及其机理探讨

以3种不同盐碱化水稻土(吉林、宁夏和天津)为材料,采用土壤泥浆厌氧培养法,通过对添加不同用量生物炭的培养体系中游离碳酸盐质量摩尔浓度、pH、脱氢酶活性及Fe(II)质量分数的变化趋势分析,以期验证生物炭在减弱土壤盐渍化过程中的贡献及进行必要的机理探讨。结果表明:生物炭能够促进碳酸盐的溶出,在吉林、宁夏和天津3种水稻土中添加生物炭后,碳酸盐的溶出量较CK分别增长0.405~1.590、0.894~3.592、0.725~2.278μmol/g,且碳酸盐的溶出量随生物炭用量的增加而升高;添加生物炭对体系脱氢酶活性具有显著促进作用,3种土壤中脱氢酶活性较CK分别增加6.53~15.45、1.76~4.25和8.81~21.13μg/(mL·g·min);土壤pH在淹水过程均有降低,但由于土壤的缓冲性导致不同生物炭处理间无显著差异;生物炭的添加显著促进微生物铁还原进程,3种水稻土在培养过程中最大铁还原潜势较CK分别增长0.017~0.034、0.088~0.436、0.023~0.437μg/mL,且生物炭用量与Fe(Ⅱ)质量分数呈正相关。典范对应分析表明,土壤初始pH与碳酸氢盐变化量极显著相关,说明生物炭对碳酸盐溶出量的影响因土壤性质不同而存在差异;吉林和宁夏水稻土各处理差异显著,天津水稻土中,添加生物炭对铁还原过程有促进作用,但生物炭用量的作用差异不明显。推测生物炭通过促进土壤的脱氢-产氢过程进而增加碳酸盐向碳酸氢盐的转化,通过强化微生物铁还原过程增加对碳酸盐的固定。

滨海潮滩铁异化还原研究进展

铁异化还原在滨海潮滩沉积物的铁、硫和碳等元素生物地球化学循环过程中起着重要作用。滨海潮滩独特的地形、水文、植被和底栖生物扰动现象,使得其铁异化还原过程具有高度的时空异质性。加强滨海潮滩铁异化还原的研究,不仅能够深入理解其有机质厌氧氧化过程,同时也为估算滨海湿地温室气体排放提供重要的依据。本文在总结滨海潮滩铁异化还原对有机质厌氧氧化贡献的基础上,回顾了铁异化还原过程的有机质底物、Fe(III)的形态和空间分布、铁异化还原微生物、铁异化还原与硫酸根异化还原竞争以及铁异化还原的时间变化等方面的研究进展,提出了未来在中国滨海潮滩铁异化还原过程研究方面应加强的工作。

香云纱染整技艺机理解析及铁还原菌对过乌用泥的强化作用

具有六百多年传承历史的香云纱染整技艺是一种同时结合植物染(过薯莨)和矿物染(过乌)的独特纯手工染整工艺,已被列入国家级非物质文化遗产,但香云纱染整技艺的科学机理尚未被系统解析.本研究采用电离喷雾高分辨质谱和红外光谱等分析方法,分析了薯莨色素的组成成分和结构,探究了其与丝蛋白的相互作用机制;通过化学模拟法从分子层面解析了"过乌"工艺的化学机理,并考察了微生物对"过乌"河泥特性的维护作用.结果表明:薯莨色素中同时存在儿茶素类缩合单宁酚和醌两种结构,其通过多位点氢键与丝蛋白肽键结合;曝晒后向阳面胶质色素进一步与河泥中Fe(II)反应形成溶解态缩合单宁络合物,并快速被氧化形成含Fe(III)的黑色沉淀,最终形成一面乌黑发亮一面棕色的香云纱.并发现微生物的铁还原作用是保障"过乌"河泥质量和呈现香云纱经典特色的关键,通过添加具有铁还原功能的希瓦氏菌S12可以显著改善不合格"过乌"用泥的染色性能.本研究的结果对保障我国古老的香云纱染整技艺的传承和推动该产业的规范化生产提供了可靠的科学理论支撑.

Effects of Cd on reductive transformation of lepidocrocite by Shewanella oneidensis MR-1

We investigated the reduction of lepidocrocite(γ-FeOOH) by Shewanella oneidensis MR-1 in the presence and absence of Cd. The results showed that Cd^(2+) retarded microbial reduction of γ-Fe OOH and avoided formation of magnetite. The inhibitory effect on γ-Fe OOH transformation may not result from Cd^(2+) toxicity to the bacterium; it rather was probably due to competitive adsorption between Cd^(2+) and Fe^(2+) on γ-Fe OOH as its surface reduction catalyzed by adsorbed Fe^(2+) was eliminated by adsorption of Cd^(2+).