乌梁素海铁还原微生物对砷-磷迁移转化的影响

以乌梁素海为研究对象,揭示湖泊沉积物微生物群落结构,阐明代表性铁还原微生物及其丰度,探究铁还原微生物驱动下Fe还原过程对As-P迁移转化影响的季节性差异以及P对As迁移转化的影响,旨在为深化寒旱区湖泊As的环境地球化学行为和As污染修复提供依据,为As污染和富营养化双重风险湖泊的水环境保护提供参考.结果表明,乌梁素海冰封期的铁还原微生物相对丰度较夏季更高.代表性铁还原微生物存在季节性差异,芽孢杆菌属和地杆菌属在冰封期和夏季均为铁还原微生物的优势菌属,但地发菌属也是夏季代表性铁还原微生物之一,而希瓦氏菌属则是冰封期代表性铁还原微生物之一.相关性分析和PLS-SEM模型结果表明在As-P迁移转化中起主要驱动作用的代表性铁还原微生物和其对As-p迁移转化的影响均存在明显的季节性差异.夏季热厌氧菌属虽丰度较小,但其驱动的铁还原过程(路径系数0.178)一定程度影响了沉积物中As和P向水中的释放,芽孢杆菌属也可促使Fe还原(路径系数0.115)驱动As-P的迁移转化.而冰封期时,丰度较高的地杆菌属则是导致As迁移的重要驱动者(路径系数0.530),其对As-P的迁移转化有重要影响,热厌氧菌属对Fe的还原作用(路径系数0.284)以及对As-P迁移转化的影响较夏季更(路径系数0.178).     

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.     

氢氧化铁对砷的吸附与沉淀机理

研究了吸附反应时间为50d和1120d时,As(V)初始浓度和pH值对氢氧化铁吸附砷的影响,并利用傅利叶红外光谱(FTIR)和粉末X射线衍射技术对吸附砷后的氢氧化铁固体进行了表征.结果表明,氢氧化铁对砷的吸附能力与pH有关,在弱酸性到弱碱性条件下,吸附砷的能力最强;在低初始砷浓度(0.01～1mmol·L-1)和相同pH条件下,吸附率随砷浓度增高而增大.当pH=3、7和12时,吸附等温线都可用Freundlich公式来进行拟合,低初始砷浓度下(0.001～1mmo.lL-1),R2>0.99,高初始砷浓度下(5～1000mmol·L-1),R2>0.93,吸附反应时间对吸附能力影响不大.红外光谱分析表明,在pH=3条件下,初始砷浓度为50mmol·L-1和500mmol·L-1时,吸附后氢氧化铁固体的红外光谱图上As—O键的伸缩振动谱带分别位于806.11cm-1和821.54cm-1;表明吸附后的氢氧化铁表面有少量的砷酸铁晶体沉淀存在,砷在氢氧化铁表面的平均密度对砷在氢氧化铁表面存在形态有影响.X射线衍射分析表明,在中性和酸性条件下,砷可能是以双配位表面络合的质子化的FeO2As(O)(OH)-和非质子化的≡FeO2As(O)2-形态存在于氢氧化铁表面.     

硫酸盐还原菌介导的吸附态砷的迁移转化

自然界中砷(As)主要被吸附在铁氧矿物上,吸附态砷从铁氧矿物释放至水体是水中砷污染的主要来源.在此过程中,微生物起着至关重要的作用.本研究的目的是探究加入硫酸盐还原菌Desulfovibrio vulgaris DP4对吸附态砷迁移转化的影响.结果表明,0 h两体系砷释放量均为0μmol·L~(-1).与对照组相比,前84 h DP4促进了吸附态五价砷[As(Ⅴ)]的脱附,在13 h砷的释放量达到最大值12.6μmol·L~(-1),占初始总吸附量(16μmol·L~(-1))的79%,是对照组(1.5μmol·L~(-1))的8.4倍.而在84 h之后,DP4体系的砷浓度低于非生物对照组,表明溶解态砷被再次固定.此过程中,砷的释放量与氧化还原电位(Eh)显著相关(P=0.001).XRD结果表明,在DP4作用下针铁矿的结晶度降低了50%,且结晶度越低,吸附能力越强,这可能是后期砷被再次固定的原因之一.同时SEM-EDS表明DP4使得针铁矿发生团聚,部分被转化为硫铁矿.As的XANES结果表明固相中没有硫化砷生成,这进一步证明固相中生成的主要是硫铁矿,它对砷的再吸附导致了后期DP4体系中溶解态砷的浓度低于非生物对照组.此外,在固相中检测出了19%的As(Ⅲ),而液相中并未检测出溶解态的As(Ⅲ),据此推测硫酸盐还原菌原位还原了吸附态As(Ⅴ).     

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.     

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...     

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。     

硫化物对含砷水铁矿与含砷氧化铝的作用差异

为了研究污染物砷在地球关键带的迁移转化行为,该研究通过反应热力学和动力学实验,以及激光粒度仪的动态光散射、氦离子显微镜和X射线光电子能谱分析等相关微观结构表征技术,深入分析了还原环境中含砷水铁矿与含砷氧化铝在硫化物作用下砷的吸附行为、电子转移过程和对砷迁移转化的影响。结果表明,由于水铁矿的氧化还原强活性和氧化铝的氧化还原惰性差异,导致在含砷水铁矿体系中,电子优先在S与Fe之间传递,使得在该体系下水铁矿还原溶解和次生铁矿物的形成,影响As的吸附,但不改变As的价态;而在含砷氧化铝体系中,电子在S与As之间传递,As(Ⅴ)被还原为As(Ⅲ)并影响As的吸附行为。这一研究结果对认识氧化还原环境中的S-As-Fe和S-As-Al相互作用,以及揭示As的迁移转化机理有着重要意义。     

土壤铁对厌氧砷氧化耦合硝酸盐还原过程的影响

为探究土壤铁对厌氧砷氧化耦合硝酸盐还原过程的作用机制,选取土壤有机质含量相近但铁含量不同的两种稻田土壤,设置对照、+NO₃^-、+As（Ⅲ）和+As（Ⅲ）+NO₃^-处理开展厌氧培养实验,研究As/N/Fe及微生物群落的变化.结果表明,厌氧条件下硝酸盐还原驱动砷氧化过程,低铁和高铁土壤中砷氧化率分别为35.3%和43.0%,高铁土壤的磷酸提取态和草酸提取态砷占比显著高于低铁土壤;As（Ⅲ）的存在减慢NO₃^-还原,减少NO₂^-和N₂O的积累,促进NH₄⁺的生成,高铁土壤的反硝化和异化硝酸盐还原产铵过程比低铁土壤快;硝酸盐和As（Ⅲ）的存在降低土壤溶解态和吸附态Fe（Ⅱ）的浓度,提高吸附态总铁的浓度,并改变微生物群落的组成和丰度,Bacillus、Clostridium和Planococcaceae在硝酸盐还原及砷氧化过程中占主导.因此,当土壤吸附态铁高时,能加速砷氧化耦合反硝化/异化硝酸盐还原产铵过程,并促进土壤铁氢氧化物对As（Ⅲ）和As（V）的固定.上述研究发现可为淹水期稻田土壤砷转化的铁氮元素调控提供科学依据.     

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.     

Bacterial reduction and release of adsorbed arsenate on Fe(Ⅲ)-, Al- and coprecipitated Fe(Ⅲ)/Al-hydroxides

Mobilization of arsenic under anaerobic conditions is of great concern in arsenic contaminated soils and sediments. Bacterial reduction of As(V) and Fe(Ⅲ) influences the cycling and partitioning of arsenic between solid and aqueous phase. We investigated the impact of bacterially mediated reductions of Fe(Ⅲ)/Al hydroxides-bound arsenic(V) and iron(Ⅲ) oxides on arsenic release. Our results suggested that As(V) reduction occurred prior to Fe(Ⅲ) reduction, and Fe(Ⅲ) reduction did not enhance the release of arsenic. Instead, Fe(Ⅲ) hydroxides retained their dissolved concentrations during the experimental process, even though the new iron mineral-magnetite formed. In contrast, the release of reduced As(Ⅲ) was promoted greatly when aluminum hydroxides was incorporated. Thus, the substitution of aluminum hydroxides may be responsible for the release of arsenic in the contaminated soils and sediments, since aluminum substitution of Fe(Ⅲ) hydroxides universally occurs under natural conditions.     

铁还原菌shewanella oneidensis MR-1对根表铁膜中砷运移的影响

水稻根表铁膜是控制砷在根际-植物体系转运的重要区域,但是其中铁还原微生物对砷运移的作用并不清楚.实验以吸附砷磷的水铁矿以及野外采集水稻根系为研究对象,分析铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1还原铁膜内铁氧化物过程中,铁还原、砷释放和固定速率.研究表明铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1可以将水稻根表铁膜中的Fe(Ⅲ)快速还原为Fe(Ⅱ)并释放到溶液中.溶液中的砷在48 h内达到最大值18 μmol·L-1,之后逐渐下降,120 h之后,与最大值相比减少了约60%.利用吸附砷的水铁矿模拟铁膜砷释放过程发现,微生物的固定作用是造成溶液中砷含量下降的主要原因之一.本研究表明,促进根际微生物的大量生长,可能是降低土壤环境中砷风险的途径之一.     

水铁矿及其胶体对砷的吸附与吸附形态

采用吸附实验,通过吸附动力学和吸附等温模型,研究了水铁矿及其胶体对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附能力.在此基础上,使用连续提取和As化学形态提取技术分别对水铁矿及其胶体固相上吸附As的结合形态和化学形态进行提取分析.吸附动力学研究以及Langmuir和Freundlich两种吸附等温模型拟合结果表明,水铁矿及其胶体对As的吸附为多层吸附,且易于进行.水铁矿胶体对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附量分别为194.8 g·kg~(-1)和107.3 g·kg~(-1),而水铁矿对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附能力分别为155.2 g·kg~(-1)和104.4 g·kg~(-1),均低于水铁矿胶体.水铁矿及其胶体吸附的As以专性吸附As、无定形铁氧化物结合As和晶型铁氧化物结合As形式存在,胶体上未形成残渣态As.因此,水铁矿胶体吸附As的牢固程度低于吸附As后形成残渣态As的水铁矿,且所吸附的As容易重新释放到环境中,增加环境风险.水铁矿单独存在时不具有将As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ)的能力.     

典型铁、锰矿物对稻田土壤砷形态与酶活性的影响

为了探究铁、锰矿物对稻田土壤砷(As)形态与酶活性的影响,将实验室合成的水铁矿和水钠锰矿添加到As污染稻田土壤中进行持续淹水土壤培养实验.结果表明与对照(CK)相比,添加0.1%水铁矿(+Fe)和0.1%水钠锰矿(+Mn)能延缓土壤Eh降低,增加土壤溶液中Fe和Mn的浓度,但是对土壤pH影响较小.与预期相符,+Fe和+Mn处理显著降低大部分监测点土壤溶液中总As(TAs)浓度,提高土壤溶液中砷酸盐[As(Ⅴ)]占TAs的比例,促使固相As形态向晶型铁氧化物结合态As(F5)转化.此外,与CK相比,+Fe和+Mn处理土壤脲酶活性分别提高5.01%和101.36%,土壤蔗糖酶活性分别提高394.51%和688.84%,土壤过氧化氢酶活性分别提高30.44%和64.71%.因此,外源添加水铁矿和水钠锰矿可以降低As污染土壤的环境风险,提高土壤养分利用率.     

蒽醌类有机质介导水铁矿电化学还原的动力学

以水铁矿为实验对象,采用计时电流法研究了\"电极-AQS-水铁矿\"反应体系中蒽醌介导下的电化学还原动力学过程,阐明了\"电极-AQS-水铁矿\"三者之间相互作用的动力学特征与机制.结果表明：在超声波的协助下,同市售玻碳电极相比,发生在碳毡电极表面的电化学还原反应的灵敏性得到显著提升,且当体系施加电压为-0.7V时,AQS可以被完全还原.在最佳工作电极和实验条件下,AQS可以作为氧化还原中介体参与水铁矿的电化学还原过程.当AQS浓度从0.005mmol/L升至0.035mmol/L时,单位绝对量水铁矿的还原率从10.4%增至35%.AQS介导水铁矿电化学还原过程中的中间产物AQS_oxi浓度随时间的变化趋势符合由连串反应动力学推导出的函数模型曲线特征：随着时间t的增加,C_AQSoxi在初始某一范围内迅速增长;当时间到达某限度后,C_AQSoxi又出现了不同程度的快速下降,模型拟合的校正决定系数高达0.9990.     

生物炭对含As(Ⅲ)水铁矿还原过程中砷形态及矿物转化的影响

生物炭的施用对土壤铁(氢)氧化物还原、砷(As)的形态转化有重要作用,极大地影响了As的环境行为.本文研究了生物炭/AQDS(蒽醌-2,6-二磺酸盐)对含As(Ⅲ)水铁矿化学还原和异化还原的影响,探索了由此产生的非生物和生物过程中Fe和As的形态转化及次生矿物的形成.结果 表明,生物炭和AQDS的添加可以促进水铁矿的化...     

中国南方森林黄壤的铝活化模式

将酸化模型应用于我国区域酸沉降影响的预测和控制对策的制定,需要选择有区域代表性的土壤铝活化模式并确定其参数.利用我国南方4个森林小流域的土壤化学长期观测资料,对常见的铝活化模式,如三水铝石模式、斜矾石模式、高岭石模式、伊毛缟石模式和有机质吸附模式等在中国南方森林黄壤的区域适用性进行了分析.结果表明,广泛应用于各种酸化模型的三水铝石模式实际上并不适用,而修正后的三水铝石经验模式在土壤水pH值≥4时能够适用,经验常数可取pK=-2.40、 a=1.65（上层土壤）和pK=-2.82、a=1.66（下层土壤）.其他模式与经验三水铝石模式相比,模拟性能并无明显的改善.观测结果还表明,当pH<4时,pAl不随pH明显变化,这些模式均不能解释其机制.     

铝氧化物-水界面化学及其在水处理中的应用

天然水体中,铝氧化物矿物表面上的吸附等各种反应在很大程度上影响着金属阳离子、无机阴离子和一些天然有机物的迁移转化和归趋.在水处理等工业领域中,铝氧化物由于其水合表面的吸附能力而被用做离子交换剂和催化剂载体.因此,对铝氧化物表面化学过程的研究具有重要意义.铝氧化物-水界面上的反应十分复杂,对各种无机、有机污染物的吸附结合能力取决于氧化物固相表面性质、溶液条件和吸附质的性质.从对铝氧化物表面荷电特性和吸附活性的认识出发,就各种铝氧化物的结构特征和表面反应活性及其在水处理技术中的应用进行了简要综述.     

不同pH条件下As还原对砷释放的影响实验研究

通过考察不同pH条件下Fe(Ⅲ)-A(sⅤ)体系和Fe(Ⅲ)-As(Ⅲ)体系各Fe形态、As形态、以及体系ORP的变化,考察不同pH条件下As还原对砷释放的影响。实验结果表明:在pH为3⁵左右范围内,Fe(Ⅲ)-A(sⅤ)体系和Fe(Ⅲ)-A(sⅢ)体系中的Fe(Ⅲ)均发生部分絮凝沉淀,在水样pH为65左右范围内,Fe(Ⅲ)-A(sⅤ)体系和Fe(Ⅲ)-A(sⅢ)体系中的Fe(Ⅲ)均发生部分絮凝沉淀,在水样pH为6¹0范围内,Fe(Ⅲ)-As(Ⅲ)体系中Fe(Ⅲ)的絮凝沉淀较Fe(Ⅲ)-As(Ⅴ)体系明显。Fe(Ⅲ)-As(Ⅴ)体系与Fe(Ⅲ)-A(sⅢ)体系中As总随pH的变化趋势基本一致,但是Fe(Ⅲ)-A(sⅢ)体系As总的浓度水平要比Fe(Ⅲ)-A(sⅤ)体系的浓度水平要高。结果表明:同等pH环境条件下,如果A(sⅤ)被还原成A(sⅢ),则Fe(Ⅲ)-As体系中就会出现As的释放,且不同pH条件下对应的As总的差值即可反映出当A(sⅤ)还原成A(sⅢ)时Fe(Ⅲ)-As体系中所释放的砷的量。