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.     

水稻土嗜中性微好氧亚铁氧化菌多样性及微生物成矿研究

微生物驱动亚铁氧化过程在水稻土中十分普遍,该过程被认为是水稻土中联接各生物地球化学过程的中心枢纽。嗜中性微好氧亚铁氧化菌能够利用氧气作为电子受体将亚铁氧化成三价铁,获得生长所需能量。然而,对水稻土中微好氧亚铁氧化菌的多样性与分布及其微生物成矿类型仍然未知。采用铁氧反向浓度梯度管法富集培养并分离水稻土中微好氧亚铁氧化菌,利用16S r RNA基因测序手段分析培养过程中微好氧亚铁氧化菌群落多样性与分布,并初步研究分离得到的亚铁氧化菌的亚铁氧化能力与生物成矿类型。结果表明,在富集培养和传代培养过程中,Azospira、Magnetospirillum、Clostridium和Rhodoplanes等属在群落中占优势。在分离最后阶段,得到几种细菌的混合菌团,可能是由于这几种亚铁氧化菌存在互养关系而难以纯化分离,其中占优势的为Azospira(63.9%)。Azospira是一类已知硝酸盐依赖型Fe OB,可以利用硝酸盐、氯酸盐和高氯酸盐为电子受体进行厌氧亚铁氧化。混合菌团具有活跃的亚铁氧化能力,反应第15天生成6.9 mmol·L-1 HCl-Fe。XRD结果表明菌团氧化亚铁形成的三价铁矿物类型为无定形铁氧化物。TEM结果显示微好氧Fe OB菌体呈杆状,细菌表面和周围散布着颗粒状的物质,可能是由无定形铁氧化物组成。综上所述,认为反硝化细菌可能在水稻土有氧-无氧界面进行微好氧亚铁氧化,其氧化亚铁的产物为无定形铁氧化物。     

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。     

草酸与铁氧化物相互作用及光化学活化分子氧过程的研究进展

草酸与铁氧化物共存于自然环境中,二者之间的相互作用及光化学行为强烈影响着分子氧的活化.而分子氧活化影响共存体系中污染物的迁移与转化,是发展绿色污染控制氧化技术的关键.因此,探讨草酸与铁氧化物之间的相互作用与光化学活化分子氧是目前的研究热点之一.本文系统总结了近年来围绕草酸与铁氧化物相互作用以及草酸诱导铁氧化物活化分子氧的研究成果,论述了草酸在铁氧化表面的吸附与转化特性、草酸铁络合物光化学过程以及活性氧产生与转移途径,同时探讨了上述过程对环境污染物降解的影响,借此加深理解草酸诱导铁氧化物环境光化学行为与活化分子氧原理,并对今后的研究发展方向提出了展望,以期为利用天然铁氧化物和有机质发展原位环境修复技术提供依据.     

水稻土中铁的厌氧生物氧化还原循环对砷的影响（The Effect of Anaerobic Redox Cycling of Iron on Arsenic Mobility in Paddy）

应用砷污染水稻土的厌氧富集培养,探讨水稻土中潜在存在铁厌氧生物循环及其对氮和砷的耦合作用.富集培养直接证明了水稻土中铁的厌氧生物循环:三价铁(人工合成针铁矿)在厌氧条件下被逐渐还原成二价铁;铁还原过程结束并外源添加硝酸根时,培养基中新生的二价铁在依赖于硝酸根的铁氧化菌的作用下被氧化;当提供新的电子供体乙酸时,生物合成的铁矿重新被还原.在铁氧化还原循环过程中,随着铁的还原,培养基中砷的浓度不断增加,反之,当铁逐渐氧化的同时不断地吸附固定培养基中的砷.在铁的厌氧氧化阶段,铁氧化的同时硝酸根被还原,培养基中积累了NH4+和NO2-.因此,厌氧水稻土中可以进行完整的铁氧化还原循环,同时这个循环过程耦合了氮和砷的迁移转化.     

红壤胶体铁氧化物界面有机氯的非生物转化研究进展

综述了红壤胶体铁氧化物的结构、形态及其转化;铁氧化物界面有机氯的非生物转化过程及其影响因素;异化铁还原作用下的有机氯转化过程。有机氯的非生物转化主要包括氧化转化与脱氯转化过程。氧化转化包括暗态下的化学氧化与光化学氧化过程;脱氯转化包括脱氢卤化、加氢脱氯、脱双卤、二聚脱氯与亲核置换脱氯等反应过程。有机氯的非生物转化主要受胶体界面pH、Eh、水溶性有机物、金属离子、铁氧化物形态与铁还原细菌等的显著影响。有机氯非生物转化的化学-微生物耦合机制、复合污染条件下重金属对界面有机氯非生物转化过程的影响机制、红壤胶体界面有机氯污染的综合调控技术方法等三个方面值得关注,有助于推动土壤胶体界面环境化学的发展。     

σ-AgFeO2晶相对银铁复合氧化催化剂表面氧性能的影响

采用共沉淀法制备了一系列不同摩尔比的银铁复合氧化物催化剂。采用ＸＲＤ，ＴＰＤ－ＭＳ，ＴＰＲ等技术以及ＣＯ氧化反应考察银了铁复合氧化物催化剂的结构和表面氧性质。     

黑锰矿催化氧化Fe(Ⅱ)生成铁氧化物过程及影响因素

自然界中的锰氧化物常与铁氧化物交结伴生,其形成和转化过程相互影响. Mn(Ⅳ)氧化物与Fe(Ⅱ)反应过程已有较多研究,然而有氧环境中低价锰氧化物氧化Fe(Ⅱ)生成铁氧化物的过程尚缺乏系统研究.本工作以黑锰矿为例,研究了开放体系中Fe(Ⅱ)在低价氧化锰矿物表面的氧化行为,分析了Fe(Ⅱ)浓度、溶解氧以及pH对Fe(Ⅲ)氧化物形成的影响.结果表明,黑锰矿在氧化Fe(Ⅱ)形成针铁矿和纤铁矿的同时,自身被部分还原释放Mn(Ⅱ).当反应体系pH值为3.0时,溶解氧氧化Fe(Ⅱ)作用弱,主要为黑锰矿氧化Fe(Ⅱ)并在其表面生成针铁矿.当反应体系pH值升高至5.0,黑锰矿催化加速了溶解氧对低浓度(<5.0 mmol·L^-1)Fe(Ⅱ)的氧化并生成水铁矿,随后转化成纤铁矿和针铁矿;Fe(Ⅱ)浓度升高(>5.0 mmol·L^-1),反应初期Fe(Ⅱ)直接被黑锰矿氧化,形成了以针铁矿和少量纤铁矿组成的包覆层,并导致氧化速率减弱,而溶解氧在Fe(Ⅱ)后期氧化过程中发挥了主导作用.这些结果丰富了表生环境铁锰氧化物的形成与共生机理,为土壤矿物形成演化提供了...     

锰生物氧化的研究进展及在水处理中的应用

自然界中锰氧化物的形成主要是通过微生物作用,而锰的微生物氧化机制较为复杂,除了多铜氧化酶、过氧化物酶外,最近发现微生物生成的超氧化物可能也参与了锰的氧化.微生物生成的生物锰氧化物具有较高的吸附氧化活性,其微观结构和活性会随时间快速变化.比如,锰的生物氧化初级产物具有强的诱导Mn(Ⅱ)氧化的活性,而次级产物则几乎没有.锰的生物氧化过程复杂而又广泛进行着,尤其在含锰水体的处理单元中发挥着重要的净水作用,为了深刻理解生物锰氧化物,对锰氧化细菌和真菌、锰生物氧化机理、生物锰氧化物的吸附氧化特征及潜在的工程应用等当前研究热点问题进行了综述.     

环境中植酸的分布、形态及界面反应行为

肌-肌醇六磷酸(myo-inositol-1,2,3,4,5,6-hexakisphosphate,IHP,myo-IP6)简称植酸(Phytic acid或phytate),是大多数土壤中最为丰富的有机磷,它在环境中的界面反应影响着磷素的迁移、循环、转化、生物有效性以及环境效应.本文简要总结了环境中植酸的分布与形态,并综述了其界面反应,包括铁铝氧化物、粘土矿物、碳酸钙等对植酸的吸附解吸,多价阳离子与植酸的络合反应以及沉淀作用.土壤矿物对植酸的吸附影响其转化和生物有效性,矿物对植酸磷的吸附量一般远高于正磷酸盐.其中,弱晶质铁铝(氢)氧化物对植酸的吸附能力一般较晶形铁铝(氢)氧化物大很多.同时,分析了矿物类型、介质pH、温度、共存离子等环境条件对植酸界面反应的影响,植酸吸附对矿物表面电荷性质、颗粒大小和分散稳定性等的作用,以及植酸在金属污染土壤修复中的应用前景.最后讨论了环境中植酸的主要研究热点和方向.     

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。     

曝气复氧对底泥氮素生物地球化学循环影响的作用机制研究

通过分析底泥氮污染物释放规律和转化过程,以及底泥生境、氮形态变化和氮循环功能微生物群落结构变化的规律,探讨了不同曝气复氧条件影响底泥氮生物地球化学循环的生物代谢、物理化学联合作用的机制。结果表明：曝气复氧对底泥中氮的生物地球化学循环影响是一个包括微生物代谢作用和物理化学作用的复杂联合作用过程。水体好氧环境的改变主要引起参与底泥氮循环的硝化、亚硝化和反硝化功能菌群群落结构的演变,对异养菌和氨化菌的影响不大,证明环境好氧条件的改变对底泥有机质生物分解产生氨氮的微生物代谢过程影响不大,主要对底泥释放的氨氮硝化、反硝化等生物转化过程产生大的影响。不同溶解氧条件下,底泥释放的氮素在微生物作用下主要以NH4＋-N和NO3--N的形式进入试验体系,并在特定的氧化还原电位（临界值-200 mV）和pH（临界值6.70）条件下通过物理化学作用在底泥中以离子交换态氮（IEF-N）、碳酸盐结合态氮（CF-N）、铁锰氧化态氮（IMOF-N）及有机态和硫化物结合态氮（OSF-N）等不同形态氮相互转化,同时,在氮的转化和循环过程中部分输入上覆水体。在低溶解氧组实验条件下[ρ（DO）〈0.5 mg.L-1],底泥向水体输出氮总量为底泥可转化态氮的19.7%,主要为氨氮,最大释放速率达到289.13 mg.m-2.d-1,释放的质量浓度可达到18.8 mg.L-1;好氧条件下（DO饱和）,底泥向水体输出氮总量为底泥可转化态氮的1.8%;好氧-缺氧条件下为11.7%,主要以N2的形式释出系统。     

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.     

黄铁矿氧化酸化及含铊重金属的迁移释放

矿山酸性排水(ARD)导致严重的重金属污染.本文用动态浸滤试验方法研究了黄铁矿氧化产酸的特征及重金属和金属铊在黄铁矿氧化产酸过程中向环境迁移释放的特征.研究表明:(1)受碳酸盐控制,前16周浸滤液呈中性;20周后受硫化物的氧化反应控制,浸滤液pH＜4,开始酸性排放.(2)硫化物的氧化速率是非线性变化的,并随pH值下降而加快.(3)黄铁矿酸化过程中金属表现出不同的迁移释放特征:铊向环境的迁移随pH值下降而增强,而镉、铅、锌、铜等重金属呈现峰值,pH＜3时,Fe3+参与金属硫化物的氧化反应,进一步促使镉、铅、锌、铜等重金属的释放.     

氧化还原环境变化对河口沉积物硅影响的模拟

氧化还原环境变化是水生态系统中普遍存在的环境现象,并可能对营养盐迁移转化产生显著影响.本文通过模拟分析好氧/缺氧状态下,典型河口沉积物硅释放及其赋存形态的差异,揭示了氧化还原环境变化对河口沉积物活性硅迁移转化的影响.研究结果表明,厌氧环境下,上覆水中溶解态硅的含量持续上升,在第30天可达4.23 mg·L-1;而好氧环境下上覆水中溶解态硅的含量维持在2.30 mg·L-1左右.其原因可能是厌氧环境下,表层沉积物中Fe/Mn氧化物发生生物还原,氧化层被逐渐破坏,促进溶解态硅的释放.另外,在短期培养过程当中,对于生物硅含量较低且其早期成岩改变程度较高的长江口沉积物而言,厌氧环境并不能有效促进沉积物生物硅的溶解.     

好氧反硝化菌及其在生物处理与修复中的应用研究进展

好氧反硝化菌因其生长特性与同步异养硝化好氧反硝化功能,为环境生物脱氮提供了崭新的技术思路.综述了已分离获得的好氧反硝化菌类群及其生长特性,重点阐述了好氧反硝化菌生物脱氮性能、影响因素与好氧反硝化机理,探讨了好氧反硝化在环境生物修复领域的应用.已有研究表明,好氧反硝化菌在环境生物脱氮方面具有明显的技术优势,但有关好氧反硝化反应机理、影响因素等仍待解析,以期为好氧反硝化菌固定化、活性持留以及受污染环境水体修复等研究提供理论依据.     

水稻土甲烷氧化菌对镉胁迫的响应

重金属污染影响土壤微生物群落结构与活性,间接影响土壤碳（如CO2、CH4）的生物地球化学循环和全球气候变化。甲烷氧化菌氧化消耗CH4,降低大气中CH4含量,在缓解由温室气体导致的全球温暖化方面起着重要作用。本研究通过短期土壤培养实验,比较研究了不同强度重金属镉（Cd）胁迫下,水稻土中甲烷氧化菌的多度、群落组成及其氧化CH4潜势的差异。结果表明,添加Cd含量越大,水稻土氧化CH4潜势越弱,甲烷氧化菌pmoA基因拷贝数显著减少;甲烷氧化菌多度与水稻土氧化CH4潜势之间存在显著正相关关系（P〈0.001）。群落组成分析发现,在相对低含量Cd（1 mg.kg-1）条件下,有新的甲烷氧化菌菌属出现,而添加较高含量Cd（10 mg.kg-1）时甲烷氧化菌种类减少。总之,Cd胁迫降低水稻土中甲烷氧化菌多样性及其氧化CH4潜势,可能导致原位CH4消耗减少,从而增加稻田CH4排放。     

环境重金属污染的细菌修复与检测

日益严重的环境重金属污染引起政府和科技工作者的广泛关注,以细菌为研究对象的生物修复与检测技术已成为环境科学领域中一大研究热点.细菌可通过对重金属的吸附富集、氧化还原、成矿沉淀、淋滤、协同植物吸收等作用修复环境重金属污染.在重金属污染环境中,细菌为响应重金属的胁迫而产生的种群结构、生物量和生理代谢活性的变化信息可用于重金属生物有效性的检测.本文从细菌对重金属的耐性、环境重金属污染的细菌修复和检测等方面综述该领域近10年的研究进展,并就目前存在的问题提出今后亟待开展的研究.参86     

沉积物再悬浮-重金属释放机制研究进展

水-沉积物界面重金属迁移和转化行为已成为水环境质量研究的热点。因自然、生物、人为活动等驱动的沉积物再悬浮使得沉积物颗粒吸附和结合的重金属可能通过吸附-解吸平衡和氧化还原反应而释放进入上覆水体。随着外在污染源输入逐步得到控制,沉积物再悬浮释放重金属将成为水体重要的内在污染源而对水环境质量和水生生物产生影响。本文综述了最近几年的相关研究文献,对沉积物再悬浮的动力来源及发生机制、再悬浮-重金属释放机制及主要影响因素进行了阐述,探讨了该领域未来可能的研究方向。相关研究发现,当干扰切应力大于沉积物的临界切应力值时,沉积物再悬浮发生,且再悬浮颗粒量随干扰切应力的增强而增大;再悬浮使还原态沉积物暴露于有氧环境,有机质和硫化物的氧化是沉积物结合态重金属释放的主要机理,而沉积物颗粒电性吸附的重金属则通过解吸进入水体;切应力大小、再悬浮水体理化性质、沉积物理化性质以及微生物活性等因素调控着沉积物吸附态或结合态重金属的释放。本文指出再悬浮沉积物释放重金属的去向（再分配机理）以及再悬浮-重金属释放的动力学过程、沉积物悬浮-重金属释放复合预测模型的建立、沉积物悬浮-释放重金属的生物可利用性及生物毒害评价将是本领域需要进一步研究的重点。     

太湖梅梁湾沉积物中铁氧化氨作用及其脱氮贡献

铁氧化氨反应是最近发现的一种新型氮转化途径,在林地、水稻田和湿地土壤氮循环过程中具有重要作用。然而,鲜有研究关注富营养化湖泊沉积物中的铁氧化氨过程。该研究在调查太湖梅梁湾沉积物理化性质和主要铁还原菌丰度的基础上,采用同位素示踪技术和C_2H_2抑制法研究了沉积物的铁还原速率和铁氧化氨过程,以实验过程中~(30)N_2和~(29)N_2的产生速率核算了沉积物的铁氧化氨速率。通过考察沉积物相关理化性质、铁还原菌丰度与铁氧化氨速率之间相关性,确定了这些因子对铁氧化氨的影响。结果表明:在太湖梅梁湾4个采样点的沉积物中均存在铁氧化氨过程,该过程能够在厌氧条件下将NH_4~+直接氧化为N_2,或者将NH_4~+氧化为NO_2~-、NO_3~-,然后厌氧氨氧化或反硝化过程将NO_2~-、NO_3~-转化为N_2导致沉积物氮损失。梅梁湾沉积物铁氧化氨速率范围为0.28~0.43 kg~(-1)·d~(-1),占太湖人为输入无机氮的6.1%~9.4%。沉积物Fe(Ⅲ)含量和TOC含量与铁氧化氨速率之间呈显著相关性(P0.05),在铁氧化氨过程中起重要作用。相反,pH与铁氧化氨之间无显著相关性(P0.05)。地杆菌属(Geobacteraceae spp.)、希瓦氏茵属(Shewanella spp.)、酸微菌科(Acidimicrobiaceae)及微酸菌A6属(Acidimicrobiaceae A6)与铁氧化氨呈显著相关性(P0.05),表明铁还原菌可能直接参与铁氧化氨过程。综上,铁氧化氨是富营养化湖泊沉积物中氮素迁移转化的重要途径之一。