沉积物电缆细菌研究进展

目前,在沉积物中发现一种丝状多细胞微生物-电缆细菌,该菌属于变形菌门的脱硫球茎菌科（Desulfobulbaceae）.电缆细菌通过远距离电子传输将沉积物表面的氧还原与深处缺氧层的硫化物氧化电耦合进行完整的氧化还原反应,调节氧分子和硫化物迁移转化.电缆细菌有3种连接方式,表层存在脊段结构进行电子运输,并在富含硫酸盐和季节性周期变化的自然环境中广泛存在.这种新型的多细胞合作方式对沉积物的生物地球化学循环产生显著影响,促进沉积物硫化区铁锰的溶解,并抑制硫和磷等元素的释放.此外,电缆细菌参与硫化物和烃类污染物的降解,为污染沉积物生物修复领域提供新的研究方向.本文对电缆细菌的发现、生理代谢、栖息环境以及生物地球化学循环的影响等研究进行了综述.     

富硫沉积生境中微生物群落的垂直分布特征

为探讨富硫沉积环境中特定微生物类群对硫循环的贡献,人工建立富含硫酸盐的模型,对模型中各种环境化学参数进行监测,并采用不依赖于培养的微生物分子生态学技术对微生物群落垂向分布特征进行解析.结果表明,以沉积物-水界面为分界线,上层水相为好氧环境,硫化物浓度较底;而沉积物相中硫化物浓度较高,为厌氧生境.微生物群落分布与环境特征具有很好的吻合性,沉积物相中微生物群落相似性较高,多样性相对较低,而水相中微生物多样性较高,且与沉积物中微生物分离距离较大.在水-沉积物垂向剖面中,细菌域中的变形菌门(Protebacteria)(丰度为7.6%~32.8%)、绿弯菌门(Chloroflexi)(13.6%~22.3%)以及古菌域中的广古菌门(Euryarchaeota)(19.3%~29.2%)是微生物群落中的绝对优势类群.在该生境中,存在微生物主导的硫循环过程,在厌氧沉积物表层,δ变形菌纲(Deltaprotebacteria)中的硫酸盐还原细菌还原硫酸盐产生硫化物,同时降解有机质.硫化物向上层扩散时,被Thiobacillus、Acidithiobacillus和Halothiobacillus等属的硫氧化微生物氧化为单质硫,并进一步氧化为硫酸盐,在硫循环过程中有机质被逐渐降解.特定微生物种群的富集需要在不同的环境因素,多种微生物共同参与硫循环过程,完成有机质降解.     

云贵高原湖泊沉积物一水界面铁、锰、硫体系的研究进展

通过对云贵高原湖泊沉积物一水界面铁、锰、硫体系的研究 ,揭示了湖泊铁、锰循环受氧化还原边界层、沉积物一水界面等多重界面的控制 ;湖水中硫酸盐的浓度制约着其扩散的物理过程 ,进而影响着硫酸盐还原作用 ;硫酸盐还原对铁、锰循环产生亚扩散层屏蔽效应 ;铁、锰循环伴随有微量金属元素的沉积后再迁移现象 ;沉积物一水界面为认识湖泊污染问题、有效地解决湖泊铁、锰的季节性污染等提供了科学依据。     

淡水湖泊沉积物中有机硫的固定作用及C/S比值的意义

本文通过取自阿尔卑斯山边缘湖泊(苏黎世湖和日内瓦湖)的两个沉积柱的对比分析,阐明了硫在淡水沉积物中的固着途径。尽管这两个湖泊中湖水硫酸盐浓度相差三倍以上,但固定在沉积物中的硫含量是相等的。沉积硫的最大浓度达1％(干重),与现代近海岸海相沉积物的硫含量相似。也表现在C_(有机)/S_总 比值上,该比值较低,为2.5～8。 对硫储体的分析表明,有机硫化合物是沉积硫的主要成分,在苏黎世湖和日内瓦湖中分别占总硫的80％和60％。最大的单个硫储体是硫酯,占总沉积硫的40％～60％。在沉积物氧化-还原转换带中,由于边界层微生物的作用而形成了大量的有机硫化合物。这可能意味着硫在次氧化带中的快速循环。由于水体中SO_4~(2-)浓度低,故硫酸盐还原带很厚。硫酸盐还原带同硫化物氧化微生物群落[如贝氏硫细菌(Beggiatoa)]的活动可能会导致沉积物-水界面附近的硫储体的彻底再循环。循环过程中带入的还原硫对沉积黄铁矿的形成不起作用,因此这些沉积物中的C_(有机)/S_(黄铁矿)比值较高。如果在成岩作用后期有机结合硫未能完全转换进入到黄铁矿中,C_(有机)/S_(黄铁矿)比值则可作为古沉积环境盐度的一个灵敏指标。     

贵阳市水库中硫酸盐还原菌及铁还原菌对甲基汞分布的影响

微生物在汞的甲基化过程中起着关键作用,但关于野外微生物活动对甲基汞分布的影响研究较为缺乏.通过对贵阳市不同污染类型水库中硫酸盐还原菌(SRB)、铁还原菌(DIRB)、甲基汞(MeHg)及相应水质参数分布规律研究,探讨了水库中SRB和DIRB活动在汞甲基化及其分布中所起的作用.在水库上覆水体中,SRB与甲基汞呈显著正相关关系(r=0.398,p0.015,n=37),表明在上覆水体中,SRB为主要的汞甲基化细菌.在污染严重且差异明显的沉积物中,两种微生物对甲基汞分布的影响各不相同.在受矿山酸性废水污染的阿哈水库,由于其过高的SRB含量及其硫酸盐还原活动,导致夏季沉积物表层硫离子大量积累,严重抑制了汞的甲基化过程,使得沉积物孔隙水表层甲基汞明显低于其它两个水库,也低于阿哈水库上覆水体甲基汞含量.在红枫水库,沉积物表层适宜的SRB活动促进了汞的甲基化,硫酸盐还原物硫离子和孔隙水甲基汞存在显著相关性(r=0.674,p0.001,n=31);在百花水库,由于沉积物曾受到严重汞污染,甲基汞峰值主要受到沉积物总汞的影响,和两种微生物活动及其产物均未表现出显著相关性.     

厦门西溪河口沉积物活性磷的分布特征及迁移转化机制

为探索不同河口区域锰、铁和硫地球化学行为对活性磷分布的影响,选择厦门西溪河口,应用薄膜扩散梯度（DGT）采样技术,对沉积物DGT有效态磷（DGT-P）、锰、铁和硫进行原位和高分辨监测.结果表明,在垂向剖面中,DGT-P的分布与铁和硫的氧化还原转化以及沉积物活性磷背景值关系密切,磷的钝化/活化主要受控于铁氧化物对磷的氧化吸附和还原溶解,以及硫酸盐还原和硫化物积累引发的磷活化;沿采样点分布,DGT-P的浓度平均值差异大（0.075~0.80 mg ·L^-1）,与盐度无关,而是与氧化还原条件密切相关,即氧化带越深磷浓度平均值越低;模型模拟结果表明,表层沉积物对孔隙水磷的再补给能力与DGT-P浓度及氧化还原条件相关,即氧化环境不利于沉积物磷的解吸再补给,而还原环境中与铁和硫地球化学的耦合有利于维持高活性磷浓度以及磷的持续释放.     

河口陆基养虾塘沉积物铁的含量和形态

为研究河口陆基养殖塘底泥中铁的迁移和转化机制,本文测定了福建省3个河口养虾塘养殖期表层和亚表层底泥沉积物中活性铁含量及间隙水的常见组分.结果表明,不同站点间晶质Fe（III）、非硫Fe（II）、有机铁、铁硫化物含量存在显著差异.间隙水SO₄^2-和Cl^-可能是影响不同站点间Fe的形态和分布存在异质性的主要环境影响因子之一.盐度较高的养虾塘,铁的硫化物含量较高,有机铁和晶质Fe（III）含量较少.陆基养虾塘底泥沉积物中活性铁含量按固相Fe（III） > 铁硫化物 > 非硫Fe（II） > 有机铁的顺序排列.养虾塘亚表层沉积物铁硫化物（FeS和FeS₂）含量高于表层沉积物,而表层沉积物有机铁含量与间隙水SO₄^2-和NH₄⁺浓度高于亚表层沉积物.铁硫化物的生成一定程度上降低河口陆基养虾塘沉积物营养盐污染的潜在风险.     

糖蜜酒精废水微氧厌氧生物脱硫

糖蜜酒精废水属于富含硫酸盐的高浓度有机废水,采用微氧厌氧生物脱硫技术进行处理。在同一反应器中先利用硫酸盐还原菌(SRB)将糖蜜酒精废水中的硫酸盐还原为硫化物,然后利用无色硫细菌(CSB)在微氧状态下将硫酸盐还原产物———硫化物氧化成硫单质,消除了硫化物对产甲烷菌的毒害作用。研究结果表明,此工艺脱硫效果显著。     

硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群驯化及其群落特征

甲烷的温室效应是二氧化碳的26倍,高浓度硫酸盐废水对水体、土壤和植物均有危害.硫酸盐为氧化剂的甲烷厌氧氧化是减少甲烷的主要途径之一.本研究以硫酸盐作为电子受体,驯化培养硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群,采用PCR-DGGE技术分析细菌和古菌菌群多样性和群落结构特征,并对其中的优势菌进行系统发育分析.DGGE指纹图谱结果表明,硫酸盐的加入使微生物群落结构和优势种群数量发生了明显的改变,其增强了甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌的丰度,加入硫酸盐驯化的菌群,其细菌群落多样性增加而古菌群落多样性略微减少.典型条带测序结果显示,驯化后菌群的优势菌种主要包括螺旋体门(Spirochaetes),除硫单胞菌目(Desulfuromonadales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷丝状菌属(Methanosaeta)等.驯化菌群的甲烷厌氧氧化研究结果显示,甲烷厌氧氧化的同时伴随硫酸盐的还原,甲烷的氧化产物为二氧化碳,硫酸盐的转化产物为硫化氢和硫单质.     

含硫酸盐高浓度有机废水生物处理技术

采用硫酸盐还原一硫化物生物氧化一产甲烷-接触氧化工艺处理青霉素废水,硫酸盐还原与有机物甲烷化分别在两个反应器中进行,有效地避免了硫酸盐还原菌对产甲烷菌的竞争抑制;利用无色硫细菌将硫酸盐还原产物一硫化物氧化成s,消除了硫化物对产甲烷菌的毒害作用研究结果表明,当系统进水COD为4500～5000mg/L,SO₄^2-浓度为1500－1600g/L时,系统出水中COD为310～348mg/L,COD平均去除率为93．2％,SO^2-平均去除率为91．2％     

BTEX污染含水层不同形态铁含量变化的试验模拟

通过砂柱试验模拟BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲苯的混合物)污染含水层的过程,分析了含水层中铁形态分布及氧化还原环境的变化.结果表明:发生铁还原反应区域介质中的w(TFe)降幅最大,达25.7%;而发生硫酸盐还原反应的区域介质中的w(TFe)因亚铁沉淀生成作用降幅减至11.7%~14.6%.铁还原菌电子受体主要来源于氧化物结合态铁;氧化物结合态铁首先转化为可交换态铁,进而被利用.硫化物结合态铁的形成可作为硫酸盐还原过程开始的标志.      

水源水库污染底泥不同修复方法脱氮效果对比实验研究

总氮超标是大部分水源水库具有的共性水质问题.在外源污染得到有效控制,上游来水氮负荷较低的情况下,底泥內源氮释放对上覆水体水质影响巨大.因此,在泥水界面处对污染底泥进行合理修复以有效抑制底泥氮释放是解决总氮超标问题、控制水源水质的关键.本研究通过模拟实验对比研究了3种不同修复方法,即覆盖填料、投加功能微生物和投加铁粉在界面处的脱氮效果.结果表明,填料覆盖技术具有更明显的脱氮效果,对氨氮的平均抑制率为83%,最高时可达92%,对总氮的平均抑制率达73%,且效果稳定.     

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.     

渤海大沽河河口底质-水界面耗氧特性

通过对天津大沽河河口底质-水界面细菌降解有机物的耗氧模拟实验,研究河口底质生物耗氧机制。探讨了底质-水界面有机物的耗氧特点及总耗氧中生物耗氧和非生物耗氧所占比例。通过底质-水界面细菌种类、数量、有机物和无机物的含量来判断细菌对含碳源、氮源的有机物的作用。结果表明,20℃,0～14h内,实验期间内平水期河口底质-水界面的生物耗氧和非生物耗氧的比例分别为82 1%和17 9%。异养细菌与有机物及营养盐有较好的正相关关系。河口底质-水界面中异养细菌的组成以革兰氏阳性菌为主,占66%,革兰氏阴性菌只占34%。      

采煤沉陷积水区土壤覆水初期氧化还原反应过程与磷迁移转化的耦合研究

以淮南潘谢某采煤沉陷积水区为研究对象,通过设计室内模拟实验,对其农业耕作层土壤初期覆水条件下的氧化还原过程进行了考察.在此基础上研究了磷(P)自农业土壤内部向"水-土"界面迁移转化潜能,模拟实验持续近4个月.同时,实验采取土壤理化性质分析和孔隙水表征相结合的方法进行,土壤主要分析了淹水前后有机质含量(OM)、铁氧化物、P含量及其赋存形态等相关变化,而孔隙水则分析了pH、氧化还原电位(E_h)、溶解无机碳(DIC)和有机碳(DOC)、Fe²⁺、NO₃^--N、SO₄^2--S,较为保守元素Cl^-作为其他可变指标的参考.结果发现,研究过程中观察到了微生物活动所对应的不同氧化还原过程,1~2周后土柱内部的NO₃^--N和SO₄^2--S由于呼吸作用趋于耗竭,孔隙水Fe²⁺持续升高,并伴随着活性磷(DRP)的释放.此后整个体系氧化还原反应趋于平衡,在"水-土"界面观察到了明显的Fe"泵升"现象,弱吸附态磷(NH₄Cl-P)和有机磷(OP)有向金属氧化物结合态磷(NaOH-P)迁移转化的趋势,但孔隙水内部DRP能否向表层迁移短时间内不能确定.     

底栖穴居动物对潮滩N迁移转化的影响

以软体动物河蚬(Corbiculafluminea)为例,运用实验模拟的方法,通过对上覆水、孔隙水和沉积物的对比分析,研究了底栖动物对潮滩N迁移转化的影响。实验结果发现,河蚬主要通过排泄和生物扰动影响N在沉积物-水界面间的迁移转化。在富氧的环境下,底栖动物的活动结果使NO3 N在上覆水中有明显的持续累积效应,NH4 N在较深层孔隙水中积累,而NO2 N易在沉积物中累积。     

Effects of physical and chemical characteristics of surface sediments in the formation of shallow lake algae-induced black bloom

Surface sediments are closely related to lake black blooms. The dissolved oxygen （DO） distribution and its penetration depth in surface sediments as well as the migration and transformation of redox sensitive elements such as Fe and S at the sediment-water interface are important factors that could influence the formation of the black bloom. In this study, dredged and undredged sediment cores with different surface properties were used to simulate black blooms in the laboratory. The Micro Profiling System was employed to explore features of the DO and ∑H2S distribution at the sediment-water interface. Physical and chemical characteristics in sediments and pore waters were also analyzed. The results showed that sediment dredging effectively suppressed the black blooms. In the undredged treatment, DO penetration depth was only 50 μm. Fe^2＋ concentrations, ∑H2S concentrations, and ∑H2S production rates were remarkably higher in surface sediments and pore waters compared to control and dredged treatments. Furthermore, depletion of DO and accumulation of Fe^2＋ and ∑H2S in surface sediments and pore waters provided favorable redox environments and necessary material sources for the blooms. The study results proved that physical and chemical characteristics in surface sediments are important factors in the formation of the black bloom, and could provide scientific guidance for emergency treatment and long-term pre-control of black blooms.