耐酸砷还原菌Bacillus sp.strain P3-23的分离鉴定及其对高砷土壤砷释放影响

砷还原微生物在原生高砷地下水形成中起关键作用,研究其对不同环境因素改变的响应以及对砷迁移与转化的影响是十分必要的。从石门土壤中分离得到一株耐酸砷还原菌,研究其形态和生理生化特征,通过分子生物学和微生物学手段对其进行系统分类和生理生化特性鉴定,并使用微生物学方法在不同温度、pH值和电子供体条件下进行培养,探究其对环境因素波动的适应能力,检测菌株对高砷土壤砷释放的影响。实验结果表明:该耐酸砷还原菌为芽孢杆菌属(Bacillus)成员,故命名为Bacillus sp.strain P3-23(以下简称P3-23);菌株P3-23最适宜的生长温度为30℃,在pH值为3.5~7.5范围内均可生长且具有砷还原能力,能够利用乳酸钠、丙酮酸钠、柠檬酸钠、酵母味素、丙三醇、葡萄糖、蔗糖为电子供体;菌株P3-23能够在72 h内完全还原2.0 mM As(Ⅴ)且菌液浓度呈上升趋势,具有强耐砷能力,40.0 mM砷存在条件下仍能生长;菌株P3-23促进土壤中砷释放能力较强,砷形态分析显示释放的可溶性砷中As³⁺占比达83.3%以上。菌株P3-23的分离不仅丰富了人们对砷还原微生物的认识,也说明砷还原微生物对不同环境因素胁迫具有相应的应答机制,预示着其可能存在于极端环境中。对不同环境中砷还原微生物进行研究,在完善砷的生物地球化学循环模式的同时有助于砷污染机制及砷修复生物手段的探索。     

有机物对沉积物中砷生物迁移的影响研究

环境中砷的存在往往会对人类健康产生不利影响。以从高砷含水层沉积物中筛选的砷抗性细菌X6400-2为生物材料,通过测定微宇宙体系中各种形态砷的含量,研究外加有机碳源葡萄糖、麦芽糖、腐殖酸、富里酸对含水层沉积物中砷生物迁移转化的影响。结果表明:4种有机碳源均影响微生物X6400-2的生长;细菌X6400-2生长的最适合碳源浓度分别为葡萄糖2.0g/L、麦芽糖1.0g/L、腐殖酸1.5g/L、富里酸2.5g/L;未接种细菌X6400-2时在有机碳单独作用下沉积物中砷的释放量很少,溶液中砷含量几乎为零,说明有机物单独作用对沉积物中砷生物迁移的影响较小;当向添加了有机物的沉积物-培养基微宇宙体系中接种细菌X6400-2后,沉积物中的砷快速向溶液中迁移,其中添加富里酸的微宇宙体系沉积物中砷的生物迁移最明显,As(Ⅲ)、As(V)和总砷的释放量最高分别达到沉积物中的63.3%、66.4%和41.3%;由于沉积物对溶液中释放的砷具有二次吸附作用,溶液中As(Ⅲ)、As(V)和总砷达到最高浓度后均缓慢降低至趋于稳定。     

一株厌氧反硝化细菌的分离鉴定与砷耐受功能研究

稻米和蔬菜是人体摄入的主要食物来源,由于人的活动造成了稻米和蔬菜中砷与硝酸盐超标。摄入的砷污染稻米与硝酸盐超标蔬菜会经过人体消化系统被胃肠道吸收并释放部分砷与硝酸盐产物,人体肠道对砷与硝酸盐具有一定的解毒作用,其中肠道微生物发挥着重要作用。从人类新鲜粪样中富集与分离出一株厌氧反硝化菌株CD14-2,通过比对与分析其16S rRNA序列,确定该菌株属于肠杆菌科埃希氏菌属(Escherichia),并对其硝酸盐还原酶基因(nitrate reductase, Nar)进行了同源性分析,进一步探究了菌株CD14-2在乳酸钠作为碳源下的反硝化速率和对不同碳源的利用情况以及菌株CD14-2与砷的相互作用。结果表明:反硝化菌株CD14-2能够在48 h内将10 mM硝酸盐氮还原为近9 mM亚硝酸盐氮,并能够利用多种碳源,在高砷浓度中生长且具有反硝化功能;当砷浓度不超过1 mM时,该菌株的反硝化功能基本未受影响,当砷浓度超过1 mM时,会对该菌株的反硝化能力起到抑制作用,且其抑制效果与砷浓度呈正相关关系。     

微生物-铁氧化物交互作用对黄土中砷活化迁移的影响

中国黄土高原地区普遍存在地下水砷超过饮用水标准问题,迫切需要深入认识和理解高砷地下水形成机制.在分析黄土中砷的含量、赋存状态基础上,以乳酸钠为有机碳源,开展缺氧条件下厌氧微生物-铁氧化物交互作用影响黄土中砷活化迁移的模拟实验研究.结果表明黄土中砷含量在23~30 mg·kg-1,变化范围很小.砷主要以吸附态、铁氧化物结合态、残渣态形式存在,平均值分别为10.57 mg·kg-1(占总砷37.76%)、10.12 mg·kg-1(占总砷36.15%)、7.19 mg·kg-1(占总砷25.69%);当水中存在有机物形成缺氧环境时,厌氧微生物异化铁还原菌(DIRB)和硫酸盐还原菌(SRB)直接或间接还原铁氧化物引起部分铁氧化物分解,导致吸附态和铁氧化物结合态砷部分释放到地下水中,引起地下水中砷升高,砷释放量主要与水中有机物浓度有关.研究表明,当有机物浓度达到100 mg·L-1时,固液比为1∶10,在土著微生物作用下,砷浓度可以达到15μg·L-1;接种DIRB和SRB以及两种微生物同时存在都有明显的促进黄土中砷活化迁移的作用,水中砷浓度可以达到40μg·L-1.     

不同厌氧环境下土著微生物对沉积物砷释放的影响

为查明土著微生物在氮气和甲烷2种厌氧环境中对沉积物中砷释放的影响,采用河套平原高砷含水沉积物中分离纯化的一株耐砷细菌YH001进行了微宇宙实验。实验结果表明:在氮气环境中,pH值最低降到7.0,溶液中铁的质量浓度不断增加,并在第14天达到最大值8.17 mg/L,砷的质量浓度最高达到64μg/L。在甲烷环境中,pH值最低降到7.5,溶液中铁的质量浓度呈下降趋势,砷的质量浓度最高达到84.8μg/L。在不同的厌氧环境中,砷的释放趋势一致,但控制砷的释放过程有所不同。在氮气环境中,微生物将铁氧化物还原的同时能将砷释放出来。在甲烷环境中,未发现铁从沉积物中释放出来。     

微生物介导的高砷沉积物中砷释放来源性分析

江汉平原某些地区地下水已受到砷的严重污染,探讨高砷地下水的形成机制十分必要。采集江汉平原高砷区不同深度(20m、50m、100m、130m、160m和225m)的高砷沉积物样品,对其进行了地球化学成分特征分析,并通过实验室模拟试验对微生物介导的高砷沉积物中砷的溶解与转化以及来源进行了分析。地球化学分析表明:高砷沉积物中不可溶性砷和铁的平均含量分别为27.57mg/kg和21.06g/kg;实验室模拟试验表明:微生物群落可以明显促进高砷沉积物中不可溶性砷和铁的溶解与释放;砷顺序提取试验结果表明:沉积物中34.5%的不可溶性砷为无定形铁锰氧化物结合态砷;进一步的相关性分析表明:试验体系中可溶性砷的含量与沉积物中无定形铁锰氧化物结合态砷密切相关。这些结果表明:微生物可以促进高砷沉积物中不可溶性砷的溶解与释放,且释放的砷主要来自于沉积物中无定形铁锰氧化物的还原与溶解。     

砷胁迫下石油烃降解菌的分离、鉴定及其降解特性

以湖北省某砷-石油烃复合污染场地的土壤为研究对象，分离纯化砷胁迫下石油烃降解菌，采用16S rDNA测序技术进行菌种鉴定，分析降解菌的生长特性与降解特征，验证降解菌对复合污染土壤的实际修复效果。结果表明：从耐As高效石油烃降解菌株系列中筛选出菌株JYZ-03,其鉴定结果为不动杆菌(Acinetobacter sp.);菌株JYZ-03最佳生长和降解条件为pH=7、温度30℃、盐度0.1%和初始接种量2%;此条件下菌株JYZ-03对石油烃的降解效率为84.05%,对石油烃各组分降解能力存在差异，难易程度表现为长链烷(C26—C38)>多环芳烃>支链烷烃>中长碳链烷烃(C11—C25),石油烃降解效果显著，具有较好的实际修复效果。该研究丰富了石油烃污染修复功能菌株库，可为复合污染场地修复提供更多选择。     

Eh、pH和铁对水稻土砷释放的影响机制

水稻水淹管理是导致水稻土砷大量释放和水稻对砷富集累积的关键环节.为研究土壤氧化还原电位(Eh)、pH值和铁对水稻土砷释放的影响,采用有氧/厌氧和间歇式有氧水淹培养方式,并分析土壤Eh、pH值、溶解态砷和铁(Ⅱ)随时间的变化,结果表明,长期厌氧水淹培养具有最大的砷释放量,且随着土壤Eh降低,砷(Ⅲ)和总砷(Ⅴ)的浓度均显著提高,其中相比于第一阶段,第二阶段砷(Ⅲ)和砷(Ⅴ)浓度分别提高了1.37μg·L~(-1)和0.99μg·L~(-1);相反,间歇式有氧水淹处理砷的释放量则相对较低,当有氧处理时间最长(6 d)时,砷的释放量最低.土壤Eh与pH值和砷的关系研究表明,二者均与土壤溶液砷呈指数关系,且随着土壤Eh降低和pH提高,水稻土砷的释放速率增大;土壤溶液铁(Ⅱ)与砷则存在显著正相关关系(r=0.868,P0.001).水稻土微环境中Eh降低和pH值提升是驱动砷释放的关键因素,因而有氧水管理模式是能够抑制砷的释放和降低水稻对砷吸收累积的有效方法.     

微生物对砷的氧化还原竞争

滤池被广泛运用于饮用水厂中,前期研究发现某水厂生物滤池处理含砷地下水时,一方面三价砷可被生物氧化锰氧化为五价砷,另一方面滤池系统中存在的微生物砷还原酶可促使五价砷还原为三价砷,而滤池表面存在的这种微生物竞争关系会影响滤池的稳定性及处理效率.为探讨其内在机制,本研究选取1株锰氧化模式菌(Pseudomonas sp.QJX-1)和1株砷还原模式菌(Brevibacterium sp.LSJ-9),考察在Mn2+、As(As3+、As5+)共存时,两菌株对空间、营养物质以及对砷氧化/还原的竞争关系.结果表明,不同的反应时间,Mn、As质量浓度/价态不同,三价及五价砷体系中,Pseudomonas sp.QJX-1生成的锰氧化物在砷的氧化还原反应中占主导地位,即能迅速氧化本身存在的As3+(三价砷体系)和砷还原菌产生的As3+(五价砷体系),最终两体系中砷都主要以As5+的形式存在.PCR及RT-PCR结果表明,反应过程中锰氧化菌功能基因(cum A)抑制了砷还原酶(ars C)的表达,锰氧化菌16S rRNA表达量始终比砷还原菌高两个数量级,即锰氧化菌在生长竞争过程中占优势.实验结果表明滤池的水力停留时间是决定出水中砷价态的一个重要因素.     

一株具砷氧化和反硝化功能的无色杆菌的筛选和鉴定

利用含As3+肉汤培养基,从广西河池砷污染地区水样和沉积物样中通过多次分离、纯化获取砷耐受菌.进一步从砷耐受菌中筛选出在好氧条件下可以同时进行砷氧化和反硝化的多功能菌株cll-35. 对该菌株进行形态观察,并利用16S rDNA序列分析方法进行鉴定,发现该菌株为革兰氏阴性菌,与Achromobacter denitrificans strain 22426和Achromobacter xylosoxidans strain C8B的同源性均达99%;该菌株在NO₃-和As3+同时存在的条件下好氧反硝化能力和砷氧化速率均得到提高;在只含NO₃-的条件下,NO₃-的去除率为53.65%,而在As3+和NO₃-同时存在的条件下,NO₃-的去除率为75.27%.在不含NO₃-和含NO₃-的条件下,As3+的转化率都在99%以上,而在含NO₃-的条件下,As3+的氧化速率更快.这种相互促进可能与反硝化过程中的电子传递和砷氧化过程中的动态平衡有关.      

缺氧条件下土壤砷的形态转化与环境行为研究

采集张士污灌区0～100 cm深的土壤并在实验室里负载低浓度的砷,采用不加硫和加硫对比研究了厌氧条件下土著微生物对土壤中砷的形态转化、环境行为影响及其机制.结果表明,在不外加硫酸盐条件下厌氧培养8 d后,微生物还原作用造成砷的大量还原和释放,释放的砷70%以上是以As(Ⅲ)形式存在,尤其20～40 cm深度土壤砷的释放量明显高于其它层土壤,As(Ⅲ)和As(T)分别达到892.8μg.L-1和1 240.6μg.L-1.与非生物对照相比每层土中盐酸可提取的砷总量都大大降低,且盐酸提取的As(T)几乎全部转化为As(Ⅲ).伴随砷的释放,铁发生还原和释放,溶解态的亚铁基本都在40 mg.L-1以上,不同土层固相中亚铁离子的量都在9.0～13.4 g.kg-1范围内,固相盐酸可提取态总铁中亚铁离子所占的比例基本都在50%以上,说明微生物还原作用造成固相中铁氧化物发生还原性溶解和矿物结构转化.当体系中添加10 mmol.L-1的硫酸盐时,每层土的生物培养体系中铁的释放几乎完全被抑制,砷和铁浓度也减少了50%.与不加硫生物培养体系相比,固相中盐酸可提取的砷量减少了50%,一部分砷被转化为稳定的硫化物As2S3而固定.可见在硫酸盐不足条件下微生物还原作用可造成砷被还原、活化和释放,而补充土壤中硫酸盐的量可促使微生物还原/活化的砷转化成更加稳定的形态,稳定的硫化物矿物As2S3是土壤微生物固定砷的重要途径.     

1株厌氧砷氧化菌的分离鉴定及砷氧化特性研究

三价砷(As(Ⅲ))氧化细菌能够将毒性大的As(Ⅲ)氧化成毒性小的五价砷(As(Ⅴ)),在生物修复砷污染方面具有应用价值。该研究从砷污染水稻土壤中分离到1株硝酸盐依赖型砷氧化菌,命名为HC11。根据表型特征、生理生化特性及16S rDNA序列同源性分析,将HC11归类为林杆菌属(Alsobacter sp.)。菌株HC11对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的耐受能力分别为5 mmol/L和10 mmol/L。菌株HC11能够在厌氧条件下以硝酸盐为电子受体将1 mmol/L As(Ⅲ)氧化,氧化率为99%。用简并引物扩增As(Ⅲ)氧化酶大亚基aio A基因,获得了1 100 bp的基因片段,其基因产物与已报道的Ancylobacter sp. OL1(ABJ55852)砷氧化酶大亚基aio A具有76%的同源性。     

砷氧化菌对胡敏酸络合As (Ⅲ)的氧化作用

土壤砷与土壤微生物相互作用是土壤砷形态转化中需要重点关注的内容之一.为了研究砷氧化菌对胡敏酸络合三价砷[HA-As(Ⅲ)]的作用,设置了不同p H值反应体系,研究砷氧化菌HN-2对HA-As(Ⅲ)作用下,砷的形态变化及其在固液两相中的分配.结果表明,在HA与As(Ⅲ)络合过程中,HA可以将一部分游离态As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ).其中,在p H=7的体系中,As(Ⅲ)被HN-2和HA氧化成As(Ⅴ)的效率最高.在含有砷氧化菌株和不含砷氧化菌株的体系中,0~10 h振荡过程中,HA-As材料均可以释放一部分As(Ⅲ)及As(Ⅴ)进入液相中,同时砷氧化菌可以快速地将As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ),而胡敏酸可以较缓慢地将As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ);反应10~24 h期间,HN-2砷氧化菌可以将络合态HA-As(Ⅲ)转化为游离态As(Ⅲ)并氧化为As(Ⅴ);48 h后反应逐渐达到平衡.固相同步辐射结果可以进一步证明HN-2砷氧化菌对络合态As(Ⅲ)的释放及氧化作用.     

砷在昂曲沉积物中吸附解吸的影响因素研究

水环境条件的改变会影响沉积物对砷（As）的吸附解吸行为,进而影响砷在水环境中的迁移和转化.本实验以西藏昌都昂曲表层沉积物为研究对象,通过正交试验,考察pH、转速、溶解氧（DO）、Fe/Mn含量、沉积物/水比例、温度、粒径及As含量对沉积物吸附解吸As的影响.研究结果表明：①沉积物对砷的吸附量随着初始As含量、Fe/Mn含量和pH值的升高而增大,随着颗粒物浓度的升高而减小;不同粒径的沉积物对砷的吸附主要与沉积物中的有机质含量有关,粒径为63~250 μm的沉积物有机质含量最高（3.13 g·kg^-1）,平均吸附量最大（517.28 mg·kg^-1）.②不同粒径沉积物的解吸量与其砷含量和有机质含量有关,砷含量越高,有机质含量越少,砷的解吸量越大.砷的解吸量与转速和温度呈正相关,与pH、DO和颗粒物浓度呈负相关.③Langmuir模型对吸附等温线的拟合效果好于Freundlich模型,沉积物对砷的吸附存在明显的固体浓度效应.     

石煤砷的赋存形态对砷迁移释放的影响

高砷石煤燃烧是陕西南部秦巴山区砷中毒流行的主要因素,煤燃烧的砷释放过程不仅与砷元素化学性质、砷含量有关,也与砷赋存形态有关。文章利用连续化学浸提法对陕南石煤砷的赋存形态进行了分析,并探讨了各赋存形态对石煤砷迁移和燃烧释放率的影响。结果表明,高砷石煤砷主要以硫化物结合态存在,其含量占煤砷含量的75%以上;石煤燃烧的砷释放率与煤中残渣态砷有显著的负相关,相关系数为-0.773,P<0.01;煤砷溶出率与可交换态砷和硫化物结合态砷均呈显著正相关,相关系数分别为0.983(P<0.05)和0.796(P<0.05)。     

矿山排水污染稻田土壤胶体对砷的吸附研究

为研究矿山排水污染土壤胶体对砷的吸附影响,文章以高砷污染区和背景区土壤的胶体在不同的pH、离子强度以及好氧/厌氧淹水条件下对As(Ⅴ)的吸附进行对比试验。结果表明:土壤胶体对As(Ⅴ)的吸附量随pH的增大而减少,且污染区胶体比背景区胶体对As(Ⅴ)的吸附量大;离子强度越大,胶体对As(Ⅴ)的吸附量越大,Ca(NO_3)_2浓度从0.001 mol/L增至0.1 mol/L时,污染区与背景区胶体对As(Ⅴ)的吸附量分别增加了30.57%、50.25%;厌氧淹水后的胶体对As(Ⅴ)的吸附量低于好氧条件下的胶体,解吸量较高,且厌氧淹水后污染区胶体与背景区胶体相比无明显吸附优势,而好氧条件下污染区胶体的解吸率低于背景区胶体,说明厌氧淹水后的胶体不易吸附且易释放As(Ⅴ)。因此,低p H和高离子强度以及好氧的条件有利于土壤胶体对砷的吸附。     

水体沉积物中有效砷的测试新方法研究

一种氧化铁/醋酸纤维素复合膜(FeO/CAM)被用于太湖沉积物中砷的生物有效性评估.结果发现,在水介质中,FeO/CAM对沉积物中砷的富集量随土水比增加而呈乘幂函数减少,在土水质量比为0.025(即1:40)之后趋于某一平台值;在土水比为0.025并得到充分振荡的条件下,沉积物中释放的有效砷被FeO/CAM富集至膜中,并随时间增加而增加,至24 h后逐渐趋于平衡,这一过程恰当地模拟了生物对砷的吸收.因此,FeO/CAM可以用于有效砷的体外测试.利用FeO/CAM对12个总砷含量为6.4～34.6 mg·kg-1的太湖沉积物样品中的有效砷进行了测定.结果发现,FeO/CAM提取的有效砷含量与磷酸盐缓冲液提取的有效砷含量之间显著相关.太湖沉积物中的有效砷含量与总砷、总磷、有机质和吸附磷含量以及磷吸附饱和度显著相关,说明沉积物理化属性对有效砷含量有重要影响.FeO/CAM克服了化学试剂提取过程中引起的非有效态砷释放的根本缺陷,因此,FeO/CAM方法在沉积物有效砷含量的测定时比化学试剂提取法可能更准确.     

海河沉积物中磷释放的模拟研究

在实验室条件下,分别对海河沉积物中磷的释放量与沉积物磷形态分布的关系及好氧/厌氧条件,pH,温度,外源磷含量,微生物活动等环境因素对其的影响进行了模拟研究. 结果表明,微生物作用是影响海河沉积物中磷释放量的主要因素;厌氧条件下,磷从沉积物向水体的释放量远高于好氧条件下沉积物磷的释放量;温度升高有利于沉积物中磷的释放;酸性和碱性条件下沉积物磷的释放量略高于中性条件下沉积物磷的释放量;当上覆水磷含量较高时,沉积物中的磷呈“负释放"状态. 研究还显示,沉积物中不同形态的磷含量与沉积物磷释放量有不同程度的相关性,其中可交换态磷(NH₄Cl-P)和可还原态磷(BD-P)含量与沉积物磷的释放量高度相关(R2分别为0.99和0.84).      

不同碳源中硫酸盐还原菌生长状况及对砷、锑去除效率研究

分别以乳酸、乙醇、糖蜜和米酒作为碳源,研究硫酸盐还原菌在不同碳源中的生长状况及对As和Sb的去除效率。硫酸盐还原菌接种到各碳源培养基后14 d的生长状况显示,硫酸盐还原菌在乳酸中生理活性最佳,在乙醇中也有明显的生理活性,但需要一个较长的启动期,而在糖蜜和米酒中没有明显的生理活性。当硫酸盐还原菌接种到各碳源培养12 h后加入酸性As(V)和Sb(V)储备液,由于12 h内尚未生成足够的碱度和硫化物来应对酸性储备液冲击,硫酸盐还原菌在所有碳源中均失去生理活性;虽然硫酸盐还原菌已失活且基质中只含有少量硫化物(≤3.62 mg/L),乳酸培养基中总锑和总砷的去除率仍可达到89.7%和65.6%,糖蜜和米酒培养基中总锑去除率达到81.2%和97.3%、总砷去除率为10.0%和17.1%,不过乙醇培养基中砷和锑均没有明显的去除。后以能显著促进硫酸盐还原菌生长的乳酸和乙醇作为碳源,调节培养基初始p H约为7,并接种培养48 h后加入酸性As(V)和Sb(V)储备液,储备液加入前乳酸和乙醇培养基的硫化物质量浓度分别达到70.73 mg/L和18.58 mg/L,储备液加入后细菌仍能继续生长,最终总锑去除率可达97.8%和98.4%,总砷去除率则为27.8%和24.6%。实验结果表明,糖蜜和米酒作为碳源需进一步优化,乙醇则体现出了可替代乳酸的潜在优势;砷和锑的去除效率除了与硫酸盐还原菌活性有关外,也与砷、锑自身的化学性质及反应基质有密切关系。     

异养硝化/好氧反硝化菌的分离鉴定及其在不同培养条件下产N_2O研究

以乙酰胺为唯一碳氮源分离纯化出2株既能异养硝化又能好氧反硝化的菌株XM1和HX2,革兰氏阴性,分别为链状杆菌和球状菌.在富集培养基中,菌株HX2产N2O量为XM1的76倍;两菌株均能分别以葡萄糖、甘露醇、酒石酸钠为唯一碳源进行生长;也可分别以硝酸钠和硫酸铵为唯一氮源进行硝化和反硝化作用,但菌株XM1生长速率快于HX2,且有较多的NO2-积累.部分长度的16S rDNA序列分析表明,菌株XM1与HX2的序列与Pseudomonas sp.具有99%的相似性,定为假单胞菌属(Pseudomonas sp.).两菌株27d反接种培养实验结果表明,在添加外源N的条件下,HX2菌株更适合在30%的土壤水分(WFPS)条件下生长,N2O产生量为(36.01±2.48)ng/g,为60%WFPS条件下N2O产生量的1.9倍;而菌株HX1则适合在60%的水分条件下生长,在该条件下几乎不产生N2O.