环境中汞微生物转化研究进展

汞(Hg)污染是全球最为关注的环境问题之一.Hg的不同形态之间毒性差异大,其以有机形态存在的甲基汞(MeHg)具有强神经毒性,且能在生物体内富集,具有很强的健康与生态风险.环境中不同形态的Hg可以在生物与非生物作用下进行转化,特别是微生物在一定条件下驱动着Hg的甲基化、去甲基化、还原与氧化,从而影响Hg的移动性和生物有效性.因此,理解微生物参与Hg转化的特征与机制对人体健康和生态环境都有着重要的意义.已有不少研究报道了Hg的微生物转化过程,但缺乏一个系统的总结与归纳.本文综述了关于Hg微生物甲基化、去甲基化、还原和氧化的最新研究进展,重点讨论Hg甲基化微生物类群,分析了微生物对Hg的甲基化和还原机制,以及影响Hg甲基化过程的主要环境因子,并提出未来关于Hg微生物转化的研究方向与重点.     

铁循环微生物对环境中重金属的影响研究进展

铁循环微生物包括铁氧化菌(Fe(Ⅱ)-oxidizing bacteria,FeOB)和铁还原菌(Fe(Ⅲ)-reducing bacteria,FeRB),在由它们介导Fe²⁺(Fe³⁺)氧化(还原)的过程中,往往也伴随着一系列重金属元素的迁移转化,对重金属在环境中的生物有效性和迁移性方面有重要作用.本文综述了环境中的铁循环微生物,针对铁循环微生物驱动重金属迁移转化的作用机制,分别从铁氧化菌氧化亚铁生成铁矿物对重金属的固定,铁还原菌介导铁矿物还原溶解及次生矿物生成,以及铁循环微生物代谢耦合重金属形态转化方面进行阐述;进一步通过研究实例综述了铁循环微生物对环境中砷、镉、铬、铜、铅等重金属的作用及修复潜力;未来的研究可关注特定微生物的成矿机制,生物成矿对重金属固定的调控,以及重金属复合污染场地的铁循环微生物修复应用等方面.本文以期为基于铁循环微生物的重金属污染修复提供理论指导和应用依据.     

微生物砷代谢机制的研究进展（Progress in Study of Mechanisms of Microbial Arsenic Transformation in Environment）

环境砷污染是一个全球性问题.研究砷的生物地球化学循环可以明确环境中砷的来源及其转化特征,为探索砷污染治理的方法提供参考.越来越多的研究表明,自然界中的微生物在砷的迁移转化过程中发挥了重要作用.根据微生物对砷的代谢机制不同将其分为:砷氧化微生物、砷还原微生物和砷甲基化微生物.砷氧化微生物可以将环境中的As(Ⅲ)氧化为毒性较弱并且容易被铁铝矿物吸附固定的As(Ⅴ),因此对降低环境中的砷毒性具有重要作用;微生物对砷的甲基化作用的产物通常为毒性较低的有机砷,因此也被认为是理想的修复环境砷污染的生物手段之一;然而在还原环境中,砷还原微生物却可以将游离态和结合态的As(Ⅴ)还原为毒性更强的As(Ⅲ),从而加重环境中的砷污染状况.由此可见,明确微生物的砷代谢机制及其对砷污染环境中砷迁移转化的影响,是实现生物修复砷污染环境的必要前提.论文总结了近年来国内外微生物砷代谢机制的研究进展,以期为深入研究微生物代谢砷的机理及其在砷污染治理中的应用提供参考.     

水环境中铁-汞耦合对汞生物地球化学循环的影响研究进展

汞及其化合物是一类重要的全球污染物.水环境是汞重要的汇,也是汞发生形态转化与生物富集的重要场所.水环境中铁-汞相互作用对汞的生物地球化学循环有重要的影响.本文围绕水环境中铁-汞生物地球化学循环的耦合,讨论并总结了含铁矿物对汞的吸附、硫铁矿物对汞的硫化、溶解性铁与含铁矿物对二价汞的还原、铁对汞微生物甲基化的影响、铁参与的甲基汞降解、铁硫矿物介导二甲基汞生成以及水稻根系铁膜对汞吸收的影响,并进一步对铁-汞耦合对汞的生物地球化学循环影响的未来研究重点进行了展望.     

金属元素与环境微生物的互作关系研究进展

在自然环境、人工生态系统等不同的环境介质中,微生物能与各种金属及其化合物共存并产生相互作用,最终影响其在环境中的迁移速率、循环过程及分布状态.本文综述了金属元素的生物地球化学循环、微生物与金属元素的互作机理以及在生产生活中的应用.主要结论为:微生物通过生物矿化、生物浸出等方式使金属发生迁移和生物转化,进而影响其在不同环境介质中的迁移速率、毒性等理化性质,参与了金属地球化学循环的每一步.微生物与金属相互作用的机理探索目前尚处于研究阶段,但较为认可的作用机制包括生物膜作用、电子传递和毒性效应等.而在工业上,微生物与金属元素间的相互作用在微生物燃料电池、金属的回收利用、土壤中重金属污染的治理等诸多方面得到了广泛的应用.未来可在群落水平上利用组学手段解析金属元素生物溶解与析出的调控网络及信号分子等作用机制,并利用基因工程或酶工程等技术开发可有效降低环境中重金属离子毒性的相关菌剂.(图2表1参61)     

沉积物中汞的甲基化研究进展

汞是环境中存在的一种重要污染物质,其毒性与之化学形态密切相关。环境中的汞主要以无机汞形态存在,然而无机汞可以通过甲基化作用转化为毒性更强的甲基汞,从而给受到暴露的生物及人类带来更高的健康风险。沉积物是汞在水生环境系统中的主要分布相,也是无机汞甲基化过程发生的主要场所。沉积物中汞的甲基化过程受到生物种类、汞的生物可利用性等生物因素及温度、含硫化合物、有机质、氧化还原条件等环境理化性质的影响。本文对汞在沉积物中甲基化过程的作用机制及其影响因素的研究现状及最新进展进行了总结,并对未来更深入的研究进行了展望。     

Research progress on occurrence forms and microbial transformation of mercury北大核心CSCD

汞是一种高毒性且具有持久性的重金属污染物,汞污染的治理与修复在近几十年一直是国内外研究热点.了解微生物对汞赋存形态的转化作用,对汞污染的治理与修复具有重要意义.总结汞的不同赋存形态、毒性及对应的常用分析方法,其中甲基汞(methyl mercury,MeHg)是毒性最强的汞形态之一.环境中汞的化学形态能发生转化,尤其以微生物驱动的汞的甲基化、MeHg的去甲基化和汞的氧化还原最为常见.依据汞转化类型将汞转化相关微生物分为汞甲基化、MeHg去甲基化、汞还原、汞氧化等类群,将对应的汞转化作用机制分为基于hgcAB基因的汞甲基化、基于mer操纵子基因的MeHg去甲基化和Hg2+还原、胞内过氧化氢酶介导的Hg0氧化.微生物汞转化过程不仅受到pH和温度的显著影响,而且还受到汞的赋存形态和游离汞的浓度、微生物种/群结构与功能、矿物种类、中间体和次生产物及其交互作用的影响,基于此,提出正确客观表征汞的微生物转化过程需要综合分析微生物组和矿物组的变化规律及其交互作用的综合效应.针对酸性矿山废水(AMD)极端环境微生物汞转化研究的不足,未来的工作将聚焦结合多组学手段、同步辐射谱学和密度泛函理论(DFT)计算等分析技术研究汞赋存形态的微生物转化过程,分析和阐明汞转化中间体的键合作用方式和转化机制,从而为AMD汞污染的预防、治理和修复提供依据.(图2表2参107)     

微生物介导的硝酸盐还原耦合亚铁氧化成矿研究进展

铁氧化微生物驱动的亚铁氧化过程是铁循环的重要组成部分。在中性厌氧环境中,硝酸盐还原亚铁氧化微生物可通过还原硝酸盐耦合氧化亚铁的过程影响污染物的降解及重金属的迁移转化等,对环境保护具有重要意义。文章主要综述了近年来有关硝酸盐还原亚铁氧化微生物驱动的不同形态亚铁氧化的成矿过程,成矿机制及其对微生物和环境的影响等。在亚铁氧化成矿的过程中,有机配体态和固态亚铁的氧化成矿主要发生在细胞表面,而小分子的无机溶解态亚铁还可继续进入细胞周质甚至细胞内膜氧化成矿。不同的培养条件(如缓冲液)和微生物种类也会影响成矿过程的反应速率从而影响矿物的结晶度。根据成矿的氧化剂不同,将成矿机制分为硝酸盐还原产物亚硝酸盐与亚铁反应的化学成矿机制与微生物利用铁氧化酶直接氧化亚铁的生物成矿机制。此外,硝酸盐还原耦合亚铁氧化成矿过程中所产生的细胞表面结壳现象,影响了不同微生物的新陈代谢过程,甚至会导致细胞死亡。而对于环境中的污染物,成矿过程可吸附和共沉淀多种重金属,从而降低重金属的污染,为治理环境污染提供了新思路。文章还分别对如何进行成矿过程的微观机制及其贡献的评估研究,以及如何更有效地利用成矿过程于环境污染治理中等问题进行了讨论和展望。     

微生物还原Se(Ⅵ)和Se(Ⅳ)合成SeNPs机理研究新进展

硒(Se)是自然界中重要的元素之一,微生物在硒的生物地球化学循环中发挥着至关重要的作用.细菌、真菌及放线菌等多种微生物能够通过同化还原、异化还原等途径将Se(VI)和Se(IV)还原为硒纳米粒子(Se NPs).本文综述了目前已知的能够还原Se(VI)和Se(IV)的微生物资源及其还原机理,并总结了在硒化合物转运、Se NPs尺寸控制和稳定等过程中发挥重要作用的蛋白质和酶.微生物对Se(VI)的还原主要通过硒酸盐还原酶实现,而对Se(IV)的还原则通过包括亚硫酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、谷胱甘肽和谷胱甘肽还原酶、硫氧还蛋白和硫氧还蛋白还原酶等多种酶促还原途径、非酶促还原途径以及作为电子受体参与的细胞呼吸过程来实现.多种不同的蛋白质和酶在Se(VI)和Se(IV)的跨膜转运、Se NPs的尺寸控制、稳定及外排等过程中发挥着重要的作用,它们不仅控制着硒化合物的还原过程,也会对Se NPs进行修饰从而改变Se NPs的物理化学性质,影响硒在环境中的归趋.今后仍需要不断开发新的能够代谢硒化合物的微生物资源,并结合基因组学、转录组学、蛋白组学等多种组学手段对微生物转化硒化合物的关键基因和调控系统等进行深入解析.     

城市地表汞释放通量时空特征分析

大量研究证实土壤中的汞可以释放到大气中 ,是区域汞多介质环境污染的重要特征之一 .城市是一种特殊的人工生态系统 ,地表覆盖类型与森林土壤存在很大差异 ,其地表汞释放的研究对了解汞的多介质循环有重要意义 ,本文测定了长春市七种不同地表类型的汞释放 ,并分析了其释放规律 .1　样品的采集与测定在长春市区范围内 ,选择七种不同的地表类型 :煤炭堆放地 ,沥青地面 (公路 ) ,裸地 ,草地 ,市区森林土壤 ,郊区森林土壤 ,郊区空旷地 .在不同的气象条件下测定土壤挥发性汞释放通量 .同时 ,采集大气样品与土样 ,测定大气温度、相对湿度等气象参…     

生物炭对土壤中微生物群落结构及其生物地球化学功能的影响

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质,具有改善土壤理化性质、调控营养元素循环、防治重金属、多环芳烃等污染物迁移转化等功能,因此,在土壤改良与修复领域具有较好的应用前景。但是,生物炭的施用将对土壤中的微生物群落结构组成带来影响,从而改变整个生态系统的物质循环过程。本文综述了近年来国内外有关生物炭对土壤微生物分布影响的研究进展,探讨了生物炭对土壤微生物生长代谢的作用机制,阐述了生物炭对于微生物主导的土壤生物地球化学过程产生的影响作用。相关研究发现,土壤总微生物生物量在生物炭施用后或增加,或不变,或呈现下降趋势;不同种类微生物对于生物炭的响应非常复杂,从而呈现出各异的土壤微生物群落结构组成。生物炭对微生物生长代谢的影响源于改变p H环境、影响水分分布、调节养分循环等多种机制的协同作用,而生物炭在对环境物质的吸附以及对微生物的直接吸附方面扮演着重要角色。同时,生物炭对于土壤微生物群落结构组成的影响还会随着时间的推移而发生变化。生物炭对土壤中微生物分布的改变还会进一步影响微生物的生物地球化学功能,对温室气体排放、碳氮循环和有机污染物降解等生物地球化学过程产生重要影响。因此,有待开展更多关于生物炭对于土壤微生物分布及其生态功能的影响的深入研究,以期更全面地评价生物炭对土壤环境质量的影响作用,为生物炭的实际应用提供依据。     

汞的微生物甲基化与去甲基化机理研究进展

甲基汞具有强烈的生物毒性和生物积累性,环境中甲基汞的产生主要与微生物相关,同时微生物也能通过去甲基化作用使甲基汞转变为无机汞.然而,目前国内外研究主要集中在汞的甲基化机理及影响因素,对汞的微生物去甲基化研究甚少.本文综述了汞的微生物甲基化、去甲基化研究史,以及微生物的主要作用机理,并对相关研究进行了展望,指出微生物酶促甲基化与氧化去甲基化机理研究将是以后工作的重点.     

亚热带与温带森林小流域生态系统汞的生物地球化学循环及其同位素分馏

汞是通过大气进行长距离传输的全球污染物,引起国际社会和学术界高度关注.陆地森林生态系统是全球物质循环最为活跃的地方,但其对全球汞的生物地球化学循环影响的认识还不清楚.同时,森林生态系统汞的生物地球化学循环过程可能对全球大气汞同位素组成产生重要的影响,但目前这两方面的研究还非常缺乏,制约了对全球尺度汞的生物地球化学循环深化规律的把握.本课题组拟在我国温带和亚热带选择3个森林小流域,首先系统开展森林小流域汞的质量平衡研究工作,深入刻画森林流域汞的生物地球化学演化规律,在此基础上开展流域汞的生物地球化学循环过程中汞同位素的分馏特征研究,最终建立流域尺度森林系统汞及其同位素的生物地球化学模型.该项目将极大推进对森林流域尺度汞的生物地球化学循环的认识,探讨森林生态系统与大气汞交换过程对全球尺度汞生物地球化学循环和对大气汞同位素组成的影响,为最终建立基于汞同位素的全球汞生物地球化学循环模型提供基础数据.     

北京市城区北部大气气态汞的特征分析

汞具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性,毒性很强,环境中任何形式的汞均可在一定条件下转化为剧毒的甲基汞.汞已被联合国环境规划署列为全球性污染物,具有跨国污染的属性,已成为全球广泛关注的环境污染物之一.作为环境中汞的重要传输通道,大气在全球汞的生物地球化学循环中起着极其重要的作用.气态单质汞是大气汞的主要存     

硫化汞纳米颗粒的微生物摄入及其在汞甲基化中的作用

甲基汞因其独特的食物链富集特性和毒性使汞成为重要的全球污染物.厌氧环境中微生物介导的汞甲基化是甲基汞生成最主要的来源,厌氧环境中不同汞地球化学形态控制着甲基汞的生成过程.硫化汞纳米颗粒是在实际厌氧环境中新近发现的重要颗粒汞形态,对其环境行为还缺乏基本认识.本文基于硫化汞纳米颗粒的环境行为,重点围绕其与微生物的相互作用,讨论并总结了硫化汞纳米颗粒的生成、硫化汞纳米颗粒的微生物摄入、溶解以及硫化汞纳米颗粒对微生物汞甲基化的影响,并进一步对硫化汞纳米颗粒与微生物相互作用的未来研究重点进行了展望.     

微生物砷还原机制的研究进展

砷是一种剧毒物质,环境中的砷对人体健康存在潜在威胁,因此长期以来备受关注.微生物的各种代谢过程对砷在环境中的归趋起着重要作用,其中砷还原微生物能将吸附于固体矿物中的As(Ⅴ)还原为可溶性强的As(Ⅲ),使砷进入液相,从而加剧了地下水等饮用水源的砷污染.论文主要介绍了两种微生物砷还原机制(异化砷还原和细胞质砷还原)在作用...     

大气汞氧化还原过程与机制的计算化学研究进展

大气中汞的氧化还原反应对于其全球生物地球化学循环起着极其重要的作用,它促进了汞在全球范围内的扩散.汞主要以气态元素汞的形态释放到大气中,并经历复杂的均相和非均相化学反应,被氧化为活性气态汞和颗粒态汞;同时,活性气态汞也可经过光致还原反应光解生成气态元素汞.计算化学是一种基于理论方法利用计算软件来对化学现象和本质进行解释...     

电子穿梭体及其介导的环境与地球化学过程研究进展

电子穿梭体是一类可通过自身氧化还原介导电子转移的化学物质的统称。在地球表层系统中,电子穿梭体可加速微生物向细胞外部进行的电子传递,参与矿物的微生物还原,驱动碳、氮、硫元素循环,并偶联有机污染物降解和重金属迁移转化。电子穿梭在自然界中存在广泛,对于元素循环、污染物环境行为以及微生物的生存行为影响深远,具有重要的环境地球化学意义。因此,该文以自然界存在的典型电子穿梭体为阐述对象,综述了以腐殖质、硫单质和生物炭为代表的三类典型穿梭体的反应特性。其中,腐殖质是土壤中天然存在的分布最广的穿梭体,硫单质是碱性环境下最典型的穿梭体,而生物炭则是稻田系统中人为输入的穿梭体。以上述三类穿梭体为核心,该文系统阐述了穿梭过程与碳氮循环、铁循环和污染物迁移转化的相互关系、以及穿梭体对微生物菌群变化产生的影响。在碳氮循环过程中,穿梭体主要参与有机碳的厌氧消耗、二氧化碳向甲烷的转化、氨氧化以及氧化亚氮向氮气的转化过程;在铁循环过程中,穿梭体主要影响氧化铁的还原溶解、含铁矿物的晶型转变以及氧化铁还原耦合的砷、铬污染物转化过程;而穿梭体作为电子受体,还可改变微生物的生长与竞争关系,调控微生物菌群。文章深入分析了穿梭过程在地球表层系统中产生的环境效应与生态效应,并提出了本领域今后需关注的重点,可为穿梭行为的进一步研究提供思考依据。     

生物炭对土壤硝化反硝化微生物群落的影响研究进展

生物炭因具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和无机矿物等特性,在控制农业面源污染和温室气体排放方面有着良好的应用前景.生物炭对氮循环微生物群落特征的影响是生物炭能否有效控制面源污染和改良土壤的核心问题.围绕生物炭对土壤氮循环微生物群落特征的影响,从生物炭的多元性、添加量和环境条件3个方面综述生物炭对土壤硝化和反硝化微生物的影响研究进展.高温热解生物炭对土壤氮循环微生物的积极作用要比低温热解生物炭效果好;生物炭原料来源、添加量对土壤氮循环微生物群落的影响存在较大差异;添加有机肥料要比常规化肥更能提高氮循环微生物碳源的利用能力及其活性;环境中的污染物如多环芳烃(PAHs)、酚类化合物(PHCs)和重金属等的存在不利于氮循环微生物的生存.随着分子生物技术的进步,未来应结合多种分子生态学技术和稳定同位素探针技术等手段研究生物炭对土壤氮循环微生物的影响机制,生物炭热解温度和添加量对土壤氮循环微生物的影响不容忽视,在长期的田间试验中应注意老化生物炭对污染物和氮循环微生物的影响.     

土壤还原过程对氯代有机污染物还原脱氯的影响与机制

自然环境中,大多数氯代有机污染物厌氧还原脱氯反应是与土壤环境中一些生源要素的生物化学还原过程相伴生。有机污染物的种类、生物有效性以及毒性能够显著影响这些生源要素的转化,反过来,土壤中活跃的氧化还原反应也可以显著影响有机污染物的动力学转化过程。本文从氧化还原顺序上综述了反硝化过程、铁还原过程、硫酸盐还原过程和产甲烷过程对氯代有机污染物厌氧还原脱氯过程的影响与作用机制,旨在为氯代有机污染物在厌氧环境中还原脱氯的过程与机理的进一步研究、以及还原脱氯与微生物介导的生源要素氧化还原过程的耦合作用机制的揭示提供参考。