Fe(Ⅲ)微生物还原机理及其研究进展

厌氧异养型微生物还原Fe(Ⅲ)的同时可以氧化降解有机物,在污染环境修复中具有积极的作用。目前对Fe(Ⅲ)微生物还原的物理、生物化学特性的认识还十分有限。总结了近年来自然环境中Fe(Ⅲ)还原菌的单菌种分离情况和混合菌的降解作用,探讨了Fe(Ⅲ)还原以及有机物降解的机理,分析了Fe(Ⅲ)可能对微生物产生的抑制作用,并提出了进一步研究的方向。

土壤Fe(Ⅲ)异化还原机理及影响因素研究进展

微生物的异化Fe(Ⅲ)还原指以Fe(Ⅲ)为末端电子受体在厌氧条件下氧化有机物的产能过程,在生物地球化学循环中起着重要的作用,异化还原的产物为Fe(Ⅱ)。目前对Fe(Ⅲ)微生物还原的物理、生物化学特性的认识还十分有限。本文系统介绍了异化Fe(Ⅲ)还原的机理及影响因素,包括还原不溶性Fe(Ⅲ)氧化物的机制及与Fe(Ⅲ)还原相关的分子生物学的研究进展。分析了目前研究中存在的问题,并从分子生物学及生物地球化学角度对异化Fe(Ⅲ)还原研究方向进行了评述与展望。旨在加强相关领域研究人员对该科学问题的了解和重视,通过学科交叉和合作加快我国在这一领域的研究。

淹水培养时间对水稻土中Fe(Ⅲ)异化还原能力的影响

为了模拟水稻土淹水过程,探讨不同淹水培养时间水稻土中铁还原微生物群落利用不同碳源的活性变化特征,以接种不同淹水时期的浙江水稻土浸提液作为微生物群落来源,以人工合成的Fe(OH)3为惟一的电子受体,不同碳源作为惟一电子供体,在30℃恒温条件下厌氧培养,定期测定Fe(Ⅱ)含量和pH值变化,采用Logistic模型进行动力学分析。研究结果表明,葡萄糖作为电子供体时,不同淹水时期的微生物群落总体上对Fe(OH)3还原反应有较快的响应;丙酮酸盐作为碳源时,铁还原反应启动的时间整体迟于葡萄糖,Fe(Ⅱ)累积量在反应30d才表现出显著累积并逐渐趋于稳定;淹水20d的微生物群落能最先利用乳酸盐还原Fe(Ⅲ),反应15 d的Fe(Ⅱ)累积量达到601.60 mg.L-1;淹水30 d的铁还原微生物群落对乙酸盐的利用能力增强,最大Fe(Ⅱ)累计量升高到538.47 mg.L-1,Fe(Ⅲ)还原率达到75.81%。不同淹水时期利用各种碳源的体系pH表现为葡萄糖从中性下降至酸性,丙酮酸盐和乳酸盐中性偏酸,乙酸盐的pH略微偏碱,不同淹水时期出现的水稻土微生物群落结构不同是导致Fe(OH)3还原能力不同的主要原因。不同的碳源利用可以指示不同的铁还原微生物群落变化:淹水培养早期的铁还原微生物群落对葡萄糖和丙酮酸盐的利用较为迅速和显著,同一时期出现的微生物群落不能以乙酸盐作为电子供体;淹水培养后期的铁还原微生物群落以乳酸盐和乙酸盐为优势碳源来还原Fe(OH)3。

中国希瓦氏菌D14^T的Fe（Ⅲ）还原特性及其影响因素

报道了中国希瓦氏菌D14 T 的Fe(Ⅲ)还原特性,研究了溶氧浓度、光照强度、温度、pH等条件对菌株Fe(Ⅲ)还原的影响。结果发现,随着培养基中Fe(Ⅲ)浓度的提高,菌株D14 T 的Fe(Ⅲ)还原速率相应降低;氧气和光照对Fe(Ⅲ)还原有一定的抑制作用;菌株还原Fe(Ⅲ)的最适反应温度为37℃;在反应起始pH6 0 - 10 0的条件下菌株可进行Fe(Ⅲ)还原。对不同形态Fe(Ⅲ)还原特性的研究结果表明,Fe(Ⅲ)的溶解度越高越有利于还原反应的进行。采用SDS和OGP这两种蛋白变性剂对Fe(Ⅲ)还原蛋白进行初步定位的结果表明,参与Fe(Ⅲ)还原的蛋白主要位于细胞可溶性外周蛋白。在同时含有偶氮染料和Fe(Ⅲ)的条件下,菌株D14 T 的偶氮染料脱色率和Fe(Ⅲ)

不同Fe(Ⅲ)对活性污泥异化铁还原及除磷影响研究

以SBBR反应器活性污泥作为铁还原菌菌种来源,采用兼性厌氧/严格厌氧恒温培养试验,投加不同Fe(Ⅲ)考察各条件下的异化铁还原能力,同时比较对磷的去除效果.结果表明:2种条件下Fe(Ⅲ)还原能力具有较好的一致性,依次为:Fe(OH)3>氧化铁皮>青矿>红矿,其中严格厌氧条件下较好.同时,除磷效果与其呈正相关,富集培养至7d,Fe(OH)3及氧化铁皮体系出水磷浓度均达到2mg/L以下,之后继续降低,最终达到0.5mg/L以下.结合异化铁还原除磷机理,可以证明,不同Fe(Ⅲ)表面吸附作用对TP的去除贡献较小,其主要作用为铁还原菌驱动下的化学沉淀去除.

土壤Fe(Ⅲ)异化还原的环境效益

异化Fe(Ⅲ)还原微生物是厌氧环境中广泛存在的一类主要微生物类群,它们的共同特征是可以利用Fe(Ⅲ)作为末端电子受体而获得能量。鉴于土壤Fe(Ⅲ)异化还原是厌氧环境中影响碳、氮、磷及金属元素生物地球化学循环的重要因素,对Fe(Ⅲ)异化还原在环境中的作用进行评述,系统介绍了国内外有关Fe(Ⅲ)还原环境效益的研究现状及其发展趋势。

海洋沉积物中一株铁还原细菌分离及Fe(Ⅲ)还原性质

以渤海(塘沽海域)沉积物为材料,富集异化铁还原混合菌群。采用三层平板方法,从混合菌群中纯化出一株异化铁还原细菌KB52。通过形态观察和16S r RNA基因序列分析,菌株命名为Klebsiella sp.KB52(Gene Bank号KM233642)。在葡萄糖为电子供体,Fe(OH)_3为电子受体条件下厌氧培养菌株KB52,其细胞生长和Fe(Ⅲ)还原具有明显耦合关系。碳源分别设置为葡萄糖、乳酸钠、丙酮酸钠、乙酸钠、甲酸钠和丙酸钠,在海水培养条件下菌株KB52以丙酮酸钠为碳源时,菌株培养液累积Fe(Ⅱ)浓度最高,为4.41 mmol/L±0.59 mmol/L。菌株KB52在设定NaCl浓度范围内,都能够生长并具有铁还原性质,菌株表现出较强的耐盐性。NaCl质量浓度为4 g/L时,菌株KB52还原Fe(Ⅲ)效率最高,Fe(Ⅱ)达到4.95 mmol/L±0.72 mmol/L。铁还原细菌KB52在淡水和海水条件下能够生长并具有铁还原性质,可用于近海沉积物中微生物介导异化Fe(Ⅲ)还原过程,进一步应用于治理海洋环境污染。

奥奈达希瓦氏菌MR-1的Fe(Ⅲ)还原特性及其影响因素

研究奥奈达希瓦氏菌MR-1的Fe(Ⅲ)还原特性,并考察不同电子供体、不同形态Fe(Ⅲ)、溶解氧、pH等对奥奈达希瓦氏菌MR-1还原Fe(Ⅲ)的影响。结果表明,奥奈达希瓦氏菌MR-1对Fe(Ⅲ)有还原能力,以乙酸盐、乳酸盐和丙酮酸盐作为Fe(Ⅲ)还原的唯一电子供体,Fe(Ⅲ)还原率分别达到39.12%、50.89%和44.98%;以FeCl3、Fe(OH)3和柠檬酸铁等不同形态Fe(Ⅲ)为菌株MR-1的唯一电子受体,Fe(Ⅲ)还原率分别达到44.72%、51.54%和10.45%;溶解氧的存在可抑制Fe(Ⅲ)异化还原;菌株MR-1可在pH 5.0～9.0范围内进行Fe(Ⅲ)还原;两种不同的蛋白质变性剂SDS和OGP作用下的Fe(Ⅲ)还原结果表明,菌株MR-1的Fe(Ⅲ)还原功能蛋白主要位于细胞外膜;同时,投加一定量的单宁酸和焦性没食子酸可提高Fe(Ⅲ)还原率,螯合铁的还原率分别达到76.37%和68.73%。

多糖对水稻土中异化Fe(Ⅲ)还原过程的影响

本研究通过土壤泥浆厌氧培养的方法,在水稻土中添加不同质量浓度淀粉和纤维素,探讨多糖作为电子供体对异化Fe(Ⅲ)还原过程的影响。结果表明,在2种水稻土泥浆的厌氧培养过程中,淀粉、纤维素可以促进水稻土中的异化Fe(Ⅲ)还原,其质量浓度在0～20 g/L时,Fe(Ⅱ)最大累积量和速率常数随质量浓度增加而增大,其对土壤中Fe(Ⅲ)氧化物异化还原的促进作用与土壤pH、有机质和无定形铁含量有关。对培养过程中pH与异化铁还原动力学数据的比较发现,在微生物正常生长的pH范围内,较低的pH利于Fe(Ⅲ)的还原。

不同淹水时间水稻土微生物群落的Fe(Ⅲ)还原能力及其与脱氢酶活性的关系

为探讨淹水水稻土中微生物Fe(Ⅲ)还原机理,采用厌氧恒温培养方法,比较了水稻土微生物群落在淹水演替过程中,分别以葡萄糖、丙酮酸盐和乳酸盐为底物时的脱氢酶活性变化及Fe(Ⅲ)还原特征.结果显示,不同淹水时间的土壤微生物群落均可以葡萄糖为优势碳源还原Fe(OH)3,最大反应速率对应时间(TVmax)与脱氢酶活性峰值出现时间比较一致,为厌氧培养的6—8d;以丙酮酸盐或乳酸盐为碳源时,脱氢酶活性的半饱和常数Ks表现为淹水30d<12d<1d,Fe(Ⅲ)还原过程和脱氢酶活性均随淹水时间延长而显著增强;Fe(Ⅱ)生成量在91—345mg/L时,土壤脱氢酶具有最大活性.本试验表明,利用葡萄糖的脱氢过程主要发生在厌氧培养初期,脱氢酶活性是影响水稻土中Fe(Ⅲ)还原过程的重要因素;脱氢酶活性峰值出现时间与Fe(Ⅲ)还原最大反应速率Vmax呈显著负相关关系,与TVmax则为显著正相关.

异化Fe(Ⅲ)还原及其在污染治理中的作用

细菌的异化Fe(Ⅲ)还原指以Fe(Ⅲ)为末端电子受体在无氧条件下氧化有机物的产能过程,在生物地球化学循环中起着重要的作用。系统综述了异化Fe(Ⅲ)还原细菌与多种代谢反应相耦联的Fe(Ⅲ)还原过程、还原不溶性Fe(Ⅲ)氧化物的机制,及其与Fe(Ⅲ)还原相关的分子生物学的研究进展。介绍了国内外有关Fe(Ⅲ)还原在环境污染治理中的研究现状及其发展趋势。

控制光照条件下添加SO_4^(2-)对水稻土中Fe(Ⅲ)还原的影响

为探讨光照和硫酸盐对微生物Fe(Ⅲ)还原的影响,在光照和光暗转换条件下,采用厌氧泥浆恒温培育方法分别在四川和天津2种石灰性水稻土中添加不同浓度硫酸盐溶液(20、50、800mmol·kg-1),培养过程中定期测定土壤泥浆的Fe(Ⅱ)、叶绿素a含量和pH值。结果表明:光照条件下,添加20mmol·kg-1和50mmol·kg-1硫酸盐能减缓光照培养中因为蓝细菌光合作用放氧引起的Fe(Ⅱ)氧化反应,Fe(Ⅱ)氧化反应启动时间与对照处理相比延迟3～7d;蓝细菌在光照培养5d后开始迅速繁殖生长,叶绿素a增长速率表现为随硫酸盐浓度增大而增加,其最终含量在四川和天津水稻土中分别为20mg·kg-1和16mg·kg-1;800mmol·kg-1硫酸盐则完全抑制了Fe(Ⅱ)的重新氧化,且在整个培养周期中没有发现光合细菌存在。pH值变化呈现先微弱下降后升高的趋势,但始终维持在弱碱性范围内。当由光照转入避光培养后,Fe(Ⅱ)累积量又重新回升,增长速率表现为对照>20mmol·kg-1S处理>50mmol·kg-1S处理。表明光照并非直接影响铁还原微生物,而是通过光合微生物繁殖间接影响铁还原过程。

细菌的Fe(Ⅲ)还原

细菌Fe(Ⅲ)还原是生物进化过程中最早出现的生物能量代谢途径,多种古细菌和真细菌具有Fe(Ⅲ)还原能力。在细菌Fe(Ⅲ)还原的过程中,需要多种膜蛋白的参与,且受到多途径的调控,特别是多血红素的细胞色素在电子传递过程中发挥重要作用。细菌Fe(Ⅲ)还原在生命的进化和整个生物地球化学循环中起到重要作用,具重要的环境学意义。

异化Fe(Ⅲ)还原菌及其还原机制的环境意义

异化Fe(Ⅲ)还原菌具有强大的代谢功能和适应恶劣环境的能力,其所具有的还原功能对于环境的生物修复具有重要的意义,在地球生态循环过程中具有举足轻重的作用。厌氧条件下,它可以Fe(Ⅲ)为末端电子受体,还原许多有毒重金属,降解利用有机和无机污染物,对土壤中痕量金属元素和磷的释放产生重要影响,在微生物燃料电池、环境除臭、防止钢铁腐蚀等方面有较好的应用前景和研究价值。当前无论是基础还是应用研究方面,国内微生物异化Fe(Ⅲ)还原菌的相关工作仍近空白。结合国外的最新研究进展,介绍了微生物异化Fe(Ⅲ)还原菌特性、还原机制及其还原的环境意义,旨在引起国内相关人员的重视,加快我国在该领域的研究。

腐植酸、EDTA、Cr(Ⅵ)调控猪粪尿废水异化Fe(Ⅲ)还原偶联VFAs的转化能力比较

以人工合成Fe(OH)3作为电子受体,在猪粪尿废水中添加具有铁还原能力的菌株,厌氧恒温培养,通过对猪粪尿废水中添加不同浓度腐植酸、EDTA、Cr(Ⅵ),揭示3种典型理化因素调控猪粪尿废水中异化Fe(Ⅲ)还原偶联挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)转化能力。结果表明,电子穿梭体腐植酸促进Fe(Ⅲ)还原,加速VFAs降解,而络合剂EDTA和重金属Cr(Ⅵ)则会阻碍Fe(Ⅲ)还原,减缓VFAs降解。虽然三种影响因子影响机理不同、途径不同,但最终Fe(Ⅲ)还原和VFAs平衡点不变。

活性污泥中Fe(Ⅲ)还原微生物的分离、鉴定及还原特性

采用平板分离法和柠檬酸铁还原实验法相结合,从城市污水处理厂活性污泥中分离获得Fe(Ⅲ)还原菌F7,经形态观察、生理生化和16S rDNA序列分析及同源性比对鉴定为恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)。在不同柠檬酸铁浓度和不同pH条件下的实验表明,柠檬酸铁浓度为0.32 g/L时,菌株生长情况较好,柠檬酸铁浓度为0.16 g/L时,Fe(Ⅲ)异化还原比例较高;pH 6.5时,菌株生长情况较好,Fe(Ⅲ)异化还原量较多。

厌氧培养体系中V(V)与Fe(Ⅲ)还原之间的电子竞争

以4种不同来源的水稻土为材料,采用接种水稻土浸提液的厌氧培养试验,设置添加不同偏钒酸盐浓度和无定形氧化铁处理,测定培养过程中V（V）和Fe（Ⅱ）浓度的变化,探讨厌氧培养过程中V（V）和Fe（Ⅲ）还原之间的相互影响机制。结果表明,在厌氧环境下土壤微生物能够以V（V）作为电子受体,将其还原为低价态的钒,V（V）浓度随着培养时间增加呈降低趋势。以V（V）为唯一电子受体时,还原起始时间大体在2~15d之间;4种水稻土中的微生物群落对于V（V）的还原能力具有差异,V（V）还原率在汉中（HZ）和安康（AK）水稻土样品中分别达到92.82%~95.63%和81.15%~81.97%,而在邛崃（QL）和永吉（YJ）水稻土样品中分别为60.64%~62.19%和51.38%~53.41%,2种钒添加浓度处理间无明显差异。V（V）和Fe（Ⅲ）共同作为电子受体时,Fe（Ⅲ）可导致V（V）还原过程明显滞后15~20d,并且使还原率降低,分别为66.50%~75.26%（HZ）,67.15%~69.22%（AK）,48.14%~48.72%（YJ）及0~11.80%（QL）。不同处理的铁还原率均可达到100%,铁还原最大反应速率（Vmax）总体表现为：AK〉HZ〉QL〉YJ样品;添加不同浓度V（V）后AK、HZ和YJ样品中出现明显促进铁还原过程的＂协同效应＂,表现为Vmax增大,且最大还原速率对应的时间（TVmax）相应减小,但在QL样品中出现抑制铁还原的＂拮抗效应＂,表现为随着V（V）浓度增加Vmax减小,且TVmax增大。推测的＂协同效应＂机理为：以发酵微生物的兼性还原为主导,V（V）还原产物强化了铁还原过程;而＂拮抗效应＂可能由于专性铁还原微生物的群落演替以及钒的毒性对发酵微生物产生抑制所致。

生物炭对水稻土Fe(Ⅲ)还原过程中碳源利用效率的影响

研究以采自吉林和江西的水稻土为供试土壤,采用恒温泥浆厌氧培养方法,探讨添加生物炭和不同有机碳源(葡萄糖、乙酸钠、丙酮酸钠和乳酸钠)条件下土壤泥浆中Fe(Ⅱ)浓度和pH值的变化,采用Logistic模型对Fe(Ⅲ)的还原特征进行了拟合分析。结果表明,添加生物炭可以促进2种水稻土中的Fe(Ⅲ)还原能力。添加生物炭条件下,不同外源有机碳对水稻土中Fe(Ⅲ)还原特征的影响存在差异,在吉林水稻土中,对Fe(Ⅲ)还原的调控能力显著大于江西水稻土。2种水稻土均能较好地利用乳酸盐、丙酮酸盐和葡萄糖还原Fe(Ⅲ),而添加乙酸盐后的Fe(Ⅲ)还原则表现出一定的滞后性。添加乳酸盐处理最大Fe(Ⅲ)还原速率高于其他有机碳源,且达到最大Fe(Ⅲ)还原速率的时间最短,表明乳酸盐是2种水稻土中铁还原过程的优势碳源。添加发酵性的有机碳源可显著影响泥浆培养过程中的pH值,有机碳源对江西水稻土pH的影响明显大于吉林水稻土,表明吉林水稻土中有机碳源对发酵过程产生的氢的利用能力优于江西水稻土。

添加无机碳酸盐对水稻土中Fe(Ⅲ)还原特征的影响

通过添加不同浓度碳酸盐,探讨厌氧泥浆培养过程碳酸盐对6种水稻土Fe(Ⅲ)还原特征的影响。结果表明,添加碳酸盐可显著提高宝坻和东宁水稻土中Fe(Ⅲ)还原潜势及最大反应速率,降低最大反应速率所对应的时间;添加高质量摩尔浓度碳酸盐将显著降低上饶和汉中水稻土的Fe(Ⅲ)还原潜势和最大反应速率;不同质量摩尔浓度碳酸盐对强酸性的奉化水稻土中Fe(Ⅲ)还原潜势没有明显影响,但最大反应速率则表现为先增大后降低的趋势;对于强碱性的松原水稻土表现为Fe(Ⅲ)还原潜势降低,但最大反应速率增大。整体比较,添加碳酸盐对酸性水稻土中氧化铁还原的影响程度低于碱性水稻土。典范对应分析表明,添加碳酸盐增加有机质对Fe(Ⅲ)还原潜势的贡献,降低无定形氧化铁和游离氧化铁对最大反应速率的贡献。Fe(Ⅲ)还原潜势和最大反应速率与土壤有机质质量分数和培养体系pH有密切联系。

微生物Fe(Ⅲ)还原过程与磷酸盐质量浓度的关系

【目的】探讨水稻土中微生物Fe(Ⅲ)还原过程与磷酸盐质量浓度之间的关系。【方法】以6种不同来源(吉林永吉、黑龙江东宁、天津宝坻、天津塘沽、四川邛崃和江西南昌)的水稻土为材料,对水稻土浸提液和泥浆进行厌氧培养试验,向培养体系中添加磷酸盐后,使土壤浸提液中磷酸盐质量浓度分别为30.97,61.94,123.88,247.66和371.64mg/L,泥浆培养体系中最终磷含量分别为52,103,206,413和619mg/kg,均以不添加磷酸盐为对照,测定培养期间土壤浸提液和泥浆中Fe(Ⅱ)、有效磷含量的变化。【结果】在土壤浸提液培养试验中,添加30.97mg/L的磷酸盐对微生物Fe(Ⅲ)还原过程有明显促进作用,而高质量浓度(371.64mg/L)磷酸盐对Fe(Ⅲ)还原具有明显抑制作用;采自江西南昌和四川邛崃的水稻土浸提液中Fe(Ⅲ)还原比较迅速,而采自吉林永吉和天津塘沽的土壤浸提液中Fe(Ⅲ)还原较为缓慢;采自天津宝坻和四川邛崃的土壤浸提液中Fe(Ⅲ)还原微生物对磷酸盐质量浓度的适应范围较大,采自江西南昌、吉林永吉、黑龙江东宁的酸性水稻土浸提液中Fe(Ⅲ)还原微生物对磷酸盐质量浓度变化比较敏感;有效磷质量浓度在不同pH值的土样中表现出不同的变化趋势,采自江西南昌、吉林永吉、黑龙江东宁的酸性土壤浸提液体系中有效磷质量浓度没有明显改变,而采自天津宝坻、四川邛崃、天津塘沽的石灰性土壤浸提液体系中有效磷质量浓度在培养初期呈降低趋势。在泥浆厌氧培养试验中,磷酸盐对Fe(Ⅲ)还原的影响程度与土壤浸提液的培养试验相比明显减弱,通过Fe(Ⅲ)还原特征参数可以看出,不同磷酸盐处理间仍然存在一定的显著性差异。在酸性水稻土中,被固持的有效磷随Fe(Ⅲ)还原过程的进行被不断释放,有效磷的增加幅度与Fe(Ⅲ)还原能力的排序一致;在碱性水稻土中,加入的磷酸盐在培养前期被大量固定,有效磷含量均明显降低。【结论】厌氧环境中的微生物Fe(Ⅲ)还原过程与磷酸盐质量浓度相互影响,高质量浓度磷酸盐对Fe(Ⅲ)还原均具有明显的抑制作用。磷酸盐对Fe(Ⅲ)还原的影响与pH值有关,在酸性条件下,随着Fe(Ⅲ)被微生物还原成Fe(Ⅱ),被吸附的磷得以释放,有效磷质量浓度增加;在碱性条件下,有效磷质量浓度随Fe(Ⅲ)被还原而降低。