典型气田土壤铁还原活性与微生物群落关系研究

由微生物驱动的土壤铁还原过程在铁的生物地球化学循环中起到重要作用,该过程还可与土壤重金属的转化及石油烃类有机污染物的降解等过程相偶联.油气田土壤常具有潜在有机污染物风险,本研究以重庆涪陵页岩气田的土壤（潜在烃类有机物污染风险）为对象,测定土壤铁还原活性（Iron Reducing Potential,IRP）,并利用Illumina Miseq测序解析其中的铁还原微生物类群,进而探讨IRP、土壤基本性质及微生物群落之间的关系.结果表明,该区域土壤铁还原菌群的优势菌门为厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）.与低IRP样品相比,高IRP样品中Pseudomonas、norank Peptococcaceae及Lentimicrobium等菌属具有较高的相对丰度.基于各样品OTU （Operational Taxonomic Unit）组成的PCoA （Principal Co-ordinates Analysis）分析表明,高、中及低IRP样品中铁还原菌群落结构差异显著（R²=0.25,p<0.01）,且一些分别属于Acetoanaerobium、Proteiniphilum、Petrimonas、Tessaracoccus及Exiguobacterium菌属中的OTUs在高IRP样品中显著上调.结构方程模型表明,铁还原微生物的群落结构是直接决定土壤IRP的主要因子,土壤氨氮及有效磷均可通过影响微生物群落结构来间接影响IRP,且氨氮还可通过直接影响有效磷来间接影响土壤IRP.本研究揭示了影响典型页岩气田土壤铁还原活性的关键因子及微生物机制,为进一步深入研究铁还原条件下土壤有机污染物去除的微生物机制打下基础.     

异化铁还原对土壤中重金属形态转化及其有效性影响

铁的微生物还原是以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.铁呼吸被认为是地球上最古老的微生物代谢形式,与水体、土壤及沉积物中物质循环息息相关.铁的微生物还原对土壤中重金属形态转化有显著影响,对修复重金属及放射性核素污染的场地有着重要意义.本文综合评述了近年来铁微生物还原研究进展,从生态安全和可持续发展角度,探讨了异化铁还原对重金属的形态改变及重金属污染土壤修复的潜在价值,并对其应用前景进行客观分析.异化铁还原对重金属形态转化的影响机制,可初步归纳为异化铁还原对重金属的氧化还原作用、对重金属的甲基化作用、对重金属的固定作用,其作用机制包含生物过程和化学作用的相互穿插,值得进一步深入研究.     

石墨强化微生物异化铁还原合成蓝铁石的磷回收研究

蓝铁石结晶法磷回收是近年来国内外磷回收领域研究的热点.如何获得高产率的结晶产物,对于蓝铁石结晶法磷回收技术的广泛应用至关重要.本研究将不同投加量、不同粒径的石墨加入到混菌铁磷复合体系中培养22 d,探讨石墨对微生物异化铁还原合成蓝铁石过程的影响,以期为碳材料强化蓝铁石结晶法磷回收提供科学依据.结果表明:当石墨投加量为1 g·L~(-1)、粒径为10μm时,Fe(Ⅱ)含量在第10 d和第14 d时分别比对照组高12%和10%,对蓝铁石合成的强化作用最为明显.因此,1 g·L~(-1)、10μm的石墨投加条件为本实验中石墨强化微生物异化铁还原合成蓝铁石的最佳磷回收条件.实验末期测定了对照组和最佳石墨组体系中微生物蛋白含量,发现二者之间并无明显差异,表明石墨对微生物量的影响不大.此外,分析微生物群落结构变化发现,与原始污水水样相比,对照组和石墨组的变形菌门比例明显增加,且石墨组的增幅更大,表明石墨更利于变形菌的富集.由此推测,石墨对微生物异化铁还原合成蓝铁石的促进可能源于体系中石墨对变形菌门细菌的强化富集作用.     

堆肥腐熟前后胡敏酸与富里酸的还原容量比较

采集腐熟前后的堆肥样品并提取和纯化出腐殖质(胡敏酸:HA;富里酸:FA),分别以柠檬酸铁(FeCit)和Fe(NO3)3作电子受体,测定了HA和FA的还原容量(RC).结果表明:以FeCit作为电子受体时,与未腐熟堆肥样品相比,腐熟后筛分样品HA的RC值增大,从22.85mmol e-/molC增大到26.84mmol e-/molC,而其对应FA的RC值减少,由37.67mmol e-/molC降低为33.68mmol e-/molC;对于两种不同形态的电子受体,以 FeCit为电子受体测定得到的RC值高于以Fe(NO3)3为电子受体测定得到的RC值;相对于本底还原容量,HA和FA经微生物还原后其RC值降低,降低幅度与微生物种类有关.结合紫外-可见光谱和三维荧光光谱分析发现,堆肥HA和FA的还原能力与其中类富里酸物质含量和醌基浓度成正相关,而与其本身的芳化度和分子量呈负相关.     

淹水厌氧条件下腐殖酸对红壤中铁异化还原过程的影响

采用室内培养实验,观测淹水厌氧条件下分别添加及共同添加葡萄糖和不同制备来源的腐殖酸,对红壤中铁的异化还原作用的影响.结果表明,红壤单独培养条件下,Fe(Ⅱ)浓度培养前后没有发生变化.添加葡萄糖促进了铁的异化还原,培养至12 d其Fe(Ⅱ)浓度为培养前的25倍.腐殖酸不能作为电子供体促进铁的异化还原,单独添加时红壤中Fe(Ⅱ)浓度没有发生变化,而同时添加葡萄糖情况下,培养前期促进而后期减弱铁的异化还原,其Fe(Ⅱ)浓度增幅仅为单独添加葡萄糖处理的35%.腐殖酸的浓度对红壤中铁的异化还原作用有影响,浓度为2.00 g/kg时培养前期促进而后期减弱铁的异化还原,低浓度时（0.20和0.02 g/kg）影响很小.不同制备来源的腐殖酸对红壤中铁异化还原过程的影响不同.培养前期,从山西大同风化煤(HAs)、河南巩县褐煤(HAh)和云南昆明滇池底泥(HAk)中提取的腐殖酸都促进了红壤中铁的异化还原;培养后期,HAk依然发挥促进作用,其Fe(Ⅱ)浓度始终高于G处理,而添加HAs和HAh的处理培养至7 d Fe(Ⅱ)仅为单独添加葡萄糖处理的14%和25%,减弱了铁的异化还原.     

Shewanella oneidensis MR-1对针铁矿的还原与汞的生物甲基化

在实验室模拟条件下,研究了铁还原菌奥奈达希瓦氏菌Shewanella oneidensis MR-1对针铁矿的异化还原及其对汞生物甲基化的影响.结果表明,S.oneidensis MR-1能溶解针铁矿,并能将溶解出的Fe3+还原成Fe2+;S.oneidensis MR-1也是一种汞甲基化细菌,能够将无机汞转化成甲基汞.铁的溶解还原作用随着初始针铁矿剂量的大幅增加而减弱,针铁矿的异化还原在一定程度内促进汞的生物甲基化.弱酸性条件比中碱性和强酸条件有利于汞的甲基化;腐殖酸在低浓度促进汞甲基化,浓度过高则会抑制汞的甲基化.     

高价离子还原菌还原机理及研究进展

高价离子还原菌普遍存在于自然环境中,它们在环境的原位修复中起着非常重要的作用。本文主要介绍了三种典型的高价离子还原菌：异化Fe（III）还原菌（IRB）、硝酸盐还原菌及硫酸盐还原菌（SRB）,分别以Fe3＋、N03-和SO4^2-为电子受体,以有机物作为电子供体,在将高价离子还原的同时,达到对污染环境的修复作用。文章综述了此类细菌的特性、作用机理、影响因素以及在国内外实际中的应用,分析了异化Fe（III）还原菌、硝酸盐还原菌及硫酸盐还原菌的异同点,并对该类细菌在环境污染治理中的发展趋势进行了评述。     

蒽醌类有机质对针铁矿异化还原解离特征影响

基于希瓦氏金属还原菌(Shewanella decolorationis S12)和针铁矿相互作用,讨论了蒽醌类有机质(AQS)对该针铁矿异化还原过程的调控机制.结果表明:AQS作为电子运移载体,使得还原解离态铁总量(Fetot)和可溶态铁含量(Fedis)均快速增加;不同含量的AQS加入前后,针铁矿还原平均速率得到显著上升,速率比在2.4~4.0之间,且该比值和AQS含量呈显著的线性关系,可决系数为0.9947.Fedis/Fetot比值随AQS含量升高而降低,当AQS含量由0.05 mmol·L-1增加至0.3 mmol·L-1时,Fedis/Fetot比值由0.935减小至0.705.Feads含量随AQS含量增加而增加,当体系中无AQS时,Feads含量维持在较低的水平(0.05 mmol·L-1).AQS参与下的铁异化还原过程实际上是由两个独立的子过程组成,即微生物呼吸作用驱动了AQS和还原态蒽二酚(AH2QS)的循环转变过程以及AH2QS进一步还原解离针铁矿的非生物过程.     

胞外聚合物对微生物还原含镉聚合硫酸铁絮体过程次生矿物形成及镉迁移转化的影响

异化铁还原菌（Dissimilatory Iron Reducing Bacteria,DIRB）能够还原铁矿物,并对矿物中所含重金属的再分配产生深远影响.胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances,EPSs）是决定细胞体表微环境理化性质的关键组分,对金属迁移转化及矿物形成具有重要影响.本文探究EPSs对微生物还原含镉聚合硫酸铁絮体（Cd-loaded polyferric sulfate,Cd-PFS）过程的影响,该絮体通常在河流镉污染应急处理中形成.通过序批实验和矿化模拟实验,结合X射线衍射、扫描电镜、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱等分析方法,发现EPSs促进了微生物还原絮体中的Fe（Ⅲ）,导致絮体解构,Fe³⁺、Fe²⁺及Cd²⁺释放进入溶液中.EPSs中磷酸化蛋白质和核酸中的磷酸基可作为成核位点,与铁原子形成P—O—Fe键,固定和聚集溶液中的Fe³⁺、Fe²⁺,加速铁的沉淀,促进纤铁矿、磁铁矿等铁矿物形成,而这些铁矿物含有丰富的羟基官能团,通过内层络合增强了对溶液中Cd²⁺的吸附,降低了Cd²⁺的可迁移性及可生化性.     

红树林湿地希瓦氏菌W3的分离及腐殖质还原特性研究

从红树林湿地沉积物中分离到1株具有腐殖质还原能力的菌株W3,通过细胞形态、生理生化以及16SrDNA的分子生物学亲缘关系分析方法,确定该菌为希瓦氏菌属,命名为Shewanella sp.W3.W3菌能够利用乳酸钠、甲酸钠和丙酮酸钠作为电子供体进行腐殖质还原,在48h内对1mmol/LAQDS的还原率分别为96%、40%和10%.另外,菌体的生长与AQDS还原表现出相同的趋势,菌体数在60h达到最大值,约为1.77×108CFU/mL,比初始接种值约增殖了100倍,而未添加乳酸钠实验组的基本没有观察到AQDS的还原和菌体的增长.该菌进行腐殖质还原的最适pH范围为7～9,最适的NaCl浓度范围为5～30g/L,而最适温度范围为30～35℃.实验结果表明,该菌的腐殖质还原过程是生物化学反应过程,且能够在还原腐殖质的同时偶联能量的产生,支持菌体的生长.推测具有腐殖质还原的希瓦氏菌在元素的生物地球化学循环和环境微生物治理中具有潜在的应用价值.     

Dssimilatory Fe(Ⅲ) reduction characteristics of paddy soil extract cultures treated with glucose or fatty acids

Dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction is a universal process with irreplaceable biological and environmental importance in anoxic environments. Our knowledge about Fe(Ⅲ) reduction predominantly comes from pure cultures of dissimilatory Fe(Ⅲ) reducing bacteria (DFRB). The objective of this study was to compare the effects of glucose and a selection of short organic acids (citrate, succinate, pyruvate, propionate, acetate, and formate) on Fe(Ⅲ) reduction via the anaerobic culture of three paddy soil solutions with Fe(OH)3 as the sole electron acceptor. The results showed significant differences in Fe(Ⅲ) reduction among the three paddy soil solutions and suhstrate types. Bacteria from the Sichuan paddy soil responded quickly to substrate supply and showed higher Fe(Ⅲ) reducing activity than the other two soil types. Bacteria in the Jiangxi paddy soil culture solution could not use propionate as a source of electrons for Fe(Ⅲ) reduction. Similarly, bacteria in the Jilin paddy soil culture could not use succinate effectively. Pyruvate was readily used by cultures from all three paddy soil solutions, thus indicating that there were some similarities in substrate utilization by bacteria for Fe(Ⅲ) reduction. The use of glucose and citrate as substrate for dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction indicates important ecological implications for this type of anoxic respiration.     

Dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction characteristics of paddy soil extract cultures treated with glucose or fatty acids

Dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction is a universal process with irreplaceable biological and environmental importance in anoxic environments. Our knowledge about Fe(Ⅲ) reduction predominantly comes from pure cultures of dissimilatory Fe(Ⅲ) reducing bacteria (DFRB). The objective of this study was to compare the effects of glucose and a selection of short organic acids (citrate, succinate, pyruvate, propionate, acetate, and formate) on Fe(Ⅲ) reduction via the anaerobic culture of three paddy soil solutions with Fe...     

菌株Enterococcus sp. ZQ21异化还原Fe(Ⅲ)及产氢性质分析

一些发酵型异化铁还原细菌同时具有异化铁还原与产氢的能力,该类细菌在环境污染修复的同时能够解决能源问题,具有广阔应用前景。本文以海洋沉积物中异化铁还原细菌Enterococcus sp. ZQ21为研究对象,设置不同形态Fe(Ⅲ),分析菌株ZQ21异化铁还原与产氢性质。结果表明,当氢氧化铁和柠檬酸铁为电子受体时,菌株ZQ21以柠檬酸铁为电子受体时Fe(Ⅲ)还原效率较高,其酶活性分别为3.66 U和4.40 U。同时,菌株ZQ21在异化铁还原培养体系中具有产氢能力,以柠檬酸铁和氢氧化铁为电子受体进行厌氧发酵培养时,体系累积产氢量分别为(1395.30 ± 4.79）mL/L和（174.30 ± 3.23）mL/L,均显著高于对照组[(23.20 ± 2.09) mL/L]。通过液相发酵产物分析,在柠檬酸铁和氢氧化铁不同形态Fe(Ⅲ)培养条件下,菌株ZQ21分别表现出乙醇型发酵和丁酸型发酵产氢代谢类型。菌株Enterococcus sp. ZQ21具有异化铁还原和产氢能力,进一步拓宽发酵型异化铁还原细菌种质资源。     

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.     

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.     

海洋沉积物中一株铁还原细菌ZQ21异化还原Fe(Ⅲ)性质分析

取渤海沉积物进行厌氧培养,富集异化铁还原细菌。采用三层平板法筛选出一株高效异化铁还原细菌ZQ21。经鉴定,该菌株为Enterococcus sp.ZQ21（GenBank号MF192756）。设置不同电子供体、电子受体和电子传递体浓度,分析菌株ZQ21异化还原Fe（Ⅲ）性质。结果表明,在乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸钠、葡萄糖、丙酮酸钠、乙酸钠和甲酸钠为电子供体时,菌株ZQ21利用丙酮酸钠还原Fe（Ⅲ）效率最高,累积Fe（Ⅱ）浓度达到113.14 ±3.46 mg/L。菌株ZQ21以柠檬酸铁和氢氧化铁为电子受体时,累积Fe（Ⅱ）浓度分别为91.75 ±1.45 mg/L和58.39 ±4.34 mg/L,Fe（Ⅲ）还原效率存在显著差异。在电子受体为氢氧化铁时,添加不同浓度电子传递体蒽醌-2-磺酸钠（AQS）,旨在提高菌株ZQ21的Fe（Ⅲ）还原效率。当AQS浓度为1.50 mmol/L时,菌株ZQ21还原Fe（Ⅲ）效率最高,累积Fe（Ⅱ）浓度达到80.28 ±3.95 mg/L,比对照组提高27%。铁还原细菌ZQ21能够有效利用可溶性以及不溶性电子受体进行异化铁还原,可进一步应用于海洋污染环境中微生物介导的异化Fe（Ⅲ）还原过程。     

Dissimilatory Fe(III) reduction characteristics of paddy soil extract cultures treated with glucose or fatty acids

Dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction is a universal process with irreplaceable biological and environmental importance in anoxic environments. Our knowledge about Fe(Ⅲ) reduction predominantly comes from pure cultures of dissimilatory Fe(Ⅲ) reducing bacteria (DFRB). The objective of this study was to compare the effects of glucose and a selection of short organic acids (citrate, succinate, pyruvate, propionate, acetate, and formate) on Fe(Ⅲ) reduction via the anaerobic culture of three paddy soil solutions with Fe(OH)3 as the sole electron acceptor. The results showed significant differences in Fe(Ⅲ) reduction among the three paddy soil solutions and suhstrate types. Bacteria from the Sichuan paddy soil responded quickly to substrate supply and showed higher Fe(Ⅲ) reducing activity than the other two soil types. Bacteria in the Jiangxi paddy soil culture solution could not use propionate as a source of electrons for Fe(Ⅲ) reduction. Similarly, bacteria in the Jilin paddy soil culture could not use succinate effectively. Pyruvate was readily used by cultures from all three paddy soil solutions, thus indicating that there were some similarities in substrate utilization by bacteria for Fe(Ⅲ) reduction. The use of glucose and citrate as substrate for dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction indicates important ecological implications for this type of anoxic respiration.     

Effect of Fe(Ⅲ) on the bromate reduction by humic substances in aqueous solution

Humic substances are ubiquitous redox-active organic compounds of environment.In this study,experiments were conducted to determine the reduction capacity of humic acid in the matrix of bromate and Fe(Ⅲ) solutions and the role of Fe(Ⅲ) in this redox process.The results showed that the humic acid regenerated Fe(Ⅱ) and reduced bromate abiotically.The addition of Fe(Ⅲ) could accelerate the bromate reduction rate by forming humic acid-Fe(Ⅲ) complexes.Iron species acts as electron mediator and catalyst for the bromate reduction by humic acid,in which humic acid transfers electrons to the complexed Fe(Ⅲ) to form Fe(Ⅱ),and the regenerated Fe(Ⅱ) donate the electrons to bromate.The kinetics study on bromate reduction further indicated that bromate reduction by humic acid-Fe(Ⅲ) complexes is pH dependent.The rate decreased by 2-fold with the increase in solution pH by one unit.The reduction capacity of Aldrich humic acid was observed to be lower than that of humic acid or natural organic matter of Suwanne River,indicating that such redox process is expected to occur in the environment.     

菌株Enterobacter sp. L6异化Fe(III)还原及Cr(VI)还原的性质分析

Cr（VI）是一种毒性极强的重金属,利用微生物还原Cr（VI）为Cr（III）是解决Cr（VI）污染的一条有效途径。菌株Enterobacter sp. L6是一株分离自海洋沉积物中的异化铁还原细菌。接种时细胞密度A₆₀₀为（0.25±0.03）,培养12 h,A₆₀₀达到（1.04±0.05）,累积产生Fe（II）浓度为（0.80±0.03）mmol/L;随着培养时间的延长,细胞密度A₆₀₀和累积产生Fe（II）浓度开始下降;培养36 h时,细胞密度A₆₀₀为（0.81±0.04）,累积Fe（II）浓度（0.63±0.01）mmol/L。在厌氧培养过程中,菌株L6细胞生长与异化还原Fe（III）性质存在明显的偶联关系。利用菌株L6的异化铁还原性质还原Cr（VI）的实验结果表明,在Cr（VI）浓度0～24 mg/L范围内,异化铁还原细菌L6都能进行细胞生长并还原Cr（VI）。Cr（VI）浓度为4、8和12 mg/L时,菌株L6对Cr（VI）还原率可达到100%,当Cr（VI）浓度为16 mg/L时,Cr（VI）还原率是参比[未添加Fe（III）]的2.11倍。Cr（VI）浓度为20、24 mg/L时,仍能够还原Cr（VI）。以Fe（III）为电子受体的异化铁还原细菌能明显提高Cr（VI）还原率,这为利用微生物修复Cr（VI）污染提供实验数据支持。     

Shewanella oneidensis MR-1异化还原Fe(III)介导的As(III)氧化转化

在实验室模拟条件下,研究了Shewanella oneidensis MR-1作用下Fe(III)还原和As(III)氧化动力学及其影响因素.结果表明,Fe(III)被还原为Fe(II)的同时伴随着As(III)氧化为As(V);S. oneidensis MR-1 在含低浓度As(III)培养基上生长良好,在高浓度培养基上生长被抑制;As(III)通过制约菌体的生长与活性来抑制Fe(III)异化还原.同样,适量浓度的Fe(III)含量对As(III)氧化转化有很强的促进作用,但是过高浓度的Fe(III)浓度使得溶液中产生过多的Fe(II),从而对As(III)氧化转化有一定程度的抑制作用.此外,弱碱环境更有利于As(III)氧化转化.