土壤Fe(Ⅲ)异化还原的环境效益

异化Fe(Ⅲ)还原微生物是厌氧环境中广泛存在的一类主要微生物类群,它们的共同特征是可以利用Fe(Ⅲ)作为末端电子受体而获得能量。鉴于土壤Fe(Ⅲ)异化还原是厌氧环境中影响碳、氮、磷及金属元素生物地球化学循环的重要因素,对Fe(Ⅲ)异化还原在环境中的作用进行评述,系统介绍了国内外有关Fe(Ⅲ)还原环境效益的研究现状及其发展趋势。

     

异化Fe(Ⅲ)还原菌及其还原机制的环境意义

异化Fe(Ⅲ)还原菌具有强大的代谢功能和适应恶劣环境的能力,其所具有的还原功能对于环境的生物修复具有重要的意义,在地球生态循环过程中具有举足轻重的作用。厌氧条件下,它可以Fe(Ⅲ)为末端电子受体,还原许多有毒重金属,降解利用有机和无机污染物,对土壤中痕量金属元素和磷的释放产生重要影响,在微生物燃料电池、环境除臭、防止钢铁腐蚀等方面有较好的应用前景和研究价值。当前无论是基础还是应用研究方面,国内微生物异化Fe(Ⅲ)还原菌的相关工作仍近空白。结合国外的最新研究进展,介绍了微生物异化Fe(Ⅲ)还原菌特性、还原机制及其还原的环境意义,旨在引起国内相关人员的重视,加快我国在该领域的研究。     

多糖对水稻土中异化Fe(Ⅲ)还原过程的影响

本研究通过土壤泥浆厌氧培养的方法,在水稻土中添加不同质量浓度淀粉和纤维素,探讨多糖作为电子供体对异化Fe(Ⅲ)还原过程的影响。结果表明,在2种水稻土泥浆的厌氧培养过程中,淀粉、纤维素可以促进水稻土中的异化Fe(Ⅲ)还原,其质量浓度在0～20 g/L时,Fe(Ⅱ)最大累积量和速率常数随质量浓度增加而增大,其对土壤中Fe(Ⅲ)氧化物异化还原的促进作用与土壤pH、有机质和无定形铁含量有关。对培养过程中pH与异化铁还原动力学数据的比较发现,在微生物正常生长的pH范围内,较低的pH利于Fe(Ⅲ)的还原。     

添加V(Ⅴ)对厌氧水稻土中Fe(Ⅲ)还原的影响

采用厌氧恒温培养体系,研究添加氧化铁、葡萄糖和V(Ⅴ)对水稻土中铁还原的影响,同时测定土壤中V(Ⅴ)质量分数的变化,探讨Fe(Ⅲ)与V(Ⅴ)还原间的竞争关系。结果表明,添加碳源能有效促进厌氧条件下微生物的Fe(Ⅲ)还原与V(Ⅴ)还原;添加氧化铁后,体系的铁还原潜势显著提高,但被铁悬液和土壤吸附的V(Ⅴ)释放受到抑制,还原量降低,Fe(Ⅲ)与V(Ⅴ)还原的进程均被延长;添加V(Ⅴ)可加快微生物Fe(Ⅲ)还原过程,但不会改变其最终还原量。V(Ⅴ)还原量的大小与土壤中异化铁还原体系的建立有密切关系。     

Fe(Ⅲ)异化还原对聚磷菌厌氧性能的影响

以污水处理厂活性污泥中主要除磷功能菌为研究对象,探讨了Fe(Ⅲ)的异化还原对菌株生长和除磷特性的影响,并比较了不同Fe(Ⅲ)的质量浓度和不同pH值条件下的情况。实验表明,Fe(Ⅲ)的异化还原有利于菌株的生长,促进了菌株释磷和厌氧吸磷。Fe(Ⅲ)质量浓度为0.078 g/L时,菌生长情况较好,厌氧释磷和吸磷效果较佳;pH=6.5时,菌株释磷和厌氧吸磷效果较好。     

添加铬、铁及葡萄糖对土壤中异化铁还原的影响

采用水稻土为供试土壤,通过添加氧化铁、铬酸盐和葡萄糖的模拟试验,在厌氧培养条件下测定了土壤中可浸提态的亚铁和铬( )浓度的变化,探讨了有机碳源及Cr( )、Fe对厌氧条件下水稻土中微生物铁还原的影响及Fe( )和Cr( )还原的竞争关系。结果表明,添加碳源和氧化铁后,能有效促进厌氧条件下水稻土中铁的异化还原过程,显著减小土壤中铬( )浓度;添加Cr( ),将导致土壤中铁还原滞后;厌氧水稻土中Fe( )和Cr( )的竞争还原机制为,有机电子供体导致氧化铁发生微生物还原,产生的Fe( )引起土壤中Cr( )的化学还原。     

腐殖酸对水稻土中异化铁还原的影响

分别以采自吉林、天津、四川和浙江的水稻土为供试样品,采用土壤泥浆厌氧培养、土壤微生物群落厌氧培养及纯菌培养的试验方法,研究了添加黄腐酸(FA)对体系中微生物铁还原过程的影响,采用Logistic方程对Fe(Ⅲ)还原的动力学过程进行拟合,探讨了Fe(Ⅱ)最大累计量(a)、速率常数(c)、最大反应率(Vmax)及最大还原速率对应的时间(TVmax)等参数的变化特征。结果表明,在浙江和吉林水稻土泥浆中直接添加FA,对其Fe(Ⅲ)还原动力学参数的总体影响不显著,仅是Fe(Ⅱ)最大累计量(a)比对照有微弱的增加,说明添加FA对水稻土中部分晶体氧化铁的还原具有一定作用。在土壤微生物群落厌氧培养培养中,添加FA可使Fe(Ⅲ)还原的最大反速率增大,TVmax提前,Fe(Ⅲ)还原率比对照增大,说明FA对Fe(Ⅲ)还原有明显促进作用。4株具有铁还原功能的菌株中,除菌株JX-a12外,其他3菌株在添加FA后对Fe(Ⅲ)还原速率常数(c)和Vmax有明显促进作用,高浓度FA的促进作用更加明显。研究证实了FA可作为电子穿梭物质对对Fe(Ⅲ)还原过程起到促进作用。     

不同水稻土微生物群落利用有机酸的铁还原特征

【目的】研究不同水稻土来源的微生物群落,在利用甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐、丙酮酸盐、柠檬酸盐及琥珀酸盐作为惟一碳源时对异化Fe(Ⅲ)还原的影响。【方法】采用四川、吉林和江西3种不同水稻土浸提液接种作为微生物群落来源,以人工合成的Fe(OH)3为惟一的电子受体,不同有机酸作为惟一碳源,在25℃厌氧条件下培养,定期测定Fe(Ⅱ)生产量并对测定结果用Logistic模型进行分析。【结果】四川水稻土中的微生物群落在Fe(OH)3还原过程中对所有供试碳源均表现出较高的利用活性,其对应的Fe(Ⅱ)累积量较高;江西水稻土中的微生物群落对碳源的响应很低,且几乎不能利用丙酸盐进行Fe(OH)3的还原;而吉林水稻土中的微生物群落在Fe(OH)3还原过程中几乎不能利用琥珀酸盐作为电子供体。【结论】3种微生物群落在Fe(OH)3还原过程中对供试碳源利用上的不同,反映了其微生物群落组成和代谢功能上的差异。3种微生物群落均能较快地利用丙酮酸盐还原Fe(OH)3,说明Fe(Ⅲ)还原微生物在碳源利用上具有共性。     

微生物Fe(Ⅲ)还原过程与磷酸盐质量浓度的关系

【目的】探讨水稻土中微生物Fe(Ⅲ)还原过程与磷酸盐质量浓度之间的关系。【方法】以6种不同来源(吉林永吉、黑龙江东宁、天津宝坻、天津塘沽、四川邛崃和江西南昌)的水稻土为材料,对水稻土浸提液和泥浆进行厌氧培养试验,向培养体系中添加磷酸盐后,使土壤浸提液中磷酸盐质量浓度分别为30.97,61.94,123.88,247.66和371.64mg/L,泥浆培养体系中最终磷含量分别为52,103,206,413和619mg/kg,均以不添加磷酸盐为对照,测定培养期间土壤浸提液和泥浆中Fe(Ⅱ)、有效磷含量的变化。【结果】在土壤浸提液培养试验中,添加30.97mg/L的磷酸盐对微生物Fe(Ⅲ)还原过程有明显促进作用,而高质量浓度(371.64mg/L)磷酸盐对Fe(Ⅲ)还原具有明显抑制作用;采自江西南昌和四川邛崃的水稻土浸提液中Fe(Ⅲ)还原比较迅速,而采自吉林永吉和天津塘沽的土壤浸提液中Fe(Ⅲ)还原较为缓慢;采自天津宝坻和四川邛崃的土壤浸提液中Fe(Ⅲ)还原微生物对磷酸盐质量浓度的适应范围较大,采自江西南昌、吉林永吉、黑龙江东宁的酸性水稻土浸提液中Fe(Ⅲ)还原微生物对磷酸盐质量浓度变化比较敏感;有效磷质量浓度在不同pH值的土样中表现出不同的变化趋势,采自江西南昌、吉林永吉、黑龙江东宁的酸性土壤浸提液体系中有效磷质量浓度没有明显改变,而采自天津宝坻、四川邛崃、天津塘沽的石灰性土壤浸提液体系中有效磷质量浓度在培养初期呈降低趋势。在泥浆厌氧培养试验中,磷酸盐对Fe(Ⅲ)还原的影响程度与土壤浸提液的培养试验相比明显减弱,通过Fe(Ⅲ)还原特征参数可以看出,不同磷酸盐处理间仍然存在一定的显著性差异。在酸性水稻土中,被固持的有效磷随Fe(Ⅲ)还原过程的进行被不断释放,有效磷的增加幅度与Fe(Ⅲ)还原能力的排序一致;在碱性水稻土中,加入的磷酸盐在培养前期被大量固定,有效磷含量均明显降低。【结论】厌氧环境中的微生物Fe(Ⅲ)还原过程与磷酸盐质量浓度相互影响,高质量浓度磷酸盐对Fe(Ⅲ)还原均具有明显的抑制作用。磷酸盐对Fe(Ⅲ)还原的影响与pH值有关,在酸性条件下,随着Fe(Ⅲ)被微生物还原成Fe(Ⅱ),被吸附的磷得以释放,有效磷质量浓度增加;在碱性条件下,有效磷质量浓度随Fe(Ⅲ)被还原而降低。     

电子穿梭物质对异化Fe(Ⅲ)还原过程的影响

选择采自吉林(JL)、四川(SC)、江西(JX)和浙江(ZJ)的水稻土样品,采用微生物混合培养和土壤泥浆厌氧恒温培养的方法,研究了电子穿梭物质蒽醌-2,6-二磺酸盐(AQDS)对异化铁还原的影响。用Logistic方程对异化铁还原过程进行模拟,并对异化铁还原特征及Fe(Ⅲ)还原的最大累积量(a)、反应速率常数(c)、最大反应速率(Vmax)等参数进行了比较。结果表明,在微生物混合培养试验中。添加AQDS能够明显加速Fe(Ⅲ)的还原,随着AQDS浓度的增大,Fe(Ⅱ)产生的速率越大,且在铁还原反应中不同来源微生物对AQDS的敏感性不同。在土壤泥浆培养中,添加AQDS可明显增大Fe(Ⅱ)累积量,并且随着AQDS浓度增大,在JX和ZJ水稻土中表现出a值不断增大,其中JX水稻土的增加幅度最大,而JL和SC水稻土的a值则随AQDS浓度增大而减小;除JL水稻土外,其他水稻土中铁还原速率常数均随着AQDS浓度的增加呈先增加后降低的趋势,表明过量的AQDS对土壤中的铁还原反应具有一定的毒害作用。试验证明AQDS不仅能促进微生物对土体中易还原氧化铁的还原,而且也能使部分较难还原的晶体氧化铁被还原。     

腐植酸、EDTA、Cr(Ⅵ)调控猪粪尿废水异化Fe(Ⅲ)还原偶联VFAs的转化能力比较

以人工合成Fe(OH)3作为电子受体,在猪粪尿废水中添加具有铁还原能力的菌株,厌氧恒温培养,通过对猪粪尿废水中添加不同浓度腐植酸、EDTA、Cr(Ⅵ),揭示3种典型理化因素调控猪粪尿废水中异化Fe(Ⅲ)还原偶联挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)转化能力。结果表明,电子穿梭体腐植酸促进Fe(Ⅲ)还原,加速VFAs降解,而络合剂EDTA和重金属Cr(Ⅵ)则会阻碍Fe(Ⅲ)还原,减缓VFAs降解。虽然三种影响因子影响机理不同、途径不同,但最终Fe(Ⅲ)还原和VFAs平衡点不变。     

过渡金属离子Mn(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)对草酸还原Cr(Ⅵ)的催化作用

25 ℃和pH 30～50条件下,研究了Mn(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)对草酸还原Cr(Ⅵ)的催化作用.结果表明:避光条件下,Mn(Ⅱ)对草酸还原Cr(Ⅵ)有显著的催化作用,光照下其催化作用进一步得到提高.然而,避光条件下Fe(Ⅲ)对草酸还原Cr(VI)的影响甚微,但在光照条件下,Fe(Ⅲ)表现出极优越的催化作用.溶液pH值和照射光波长对反应有显著影响,Mn(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的催化作用随pH值提高而减弱;紫外光照射下两金属离子的催化作用大于模拟日光照射的.因此,本研究结果对由Cr(Ⅵ)引起的土壤和水的污染治理具有理论和实践指导意义.     

Abiotic pyrite formation produces a large Fe isotope fractionation

The iron isotope composition of sedimentary pyrite has been proposed as a potential proxy to trace microbial metabolism and the redox evolution of the oceans. We demonstrate that Fe isotope fractionation accompanies abiotic pyrite formation in the absence of Fe(II) redox change. Combined fractionation factors between Fe(II)(aq), mackinawite, and pyrite permit the generation of pyrite with Fe isotope signatures that nearly encapsulate the full range of sedimentary δ(56)Fe(pyrite) recorded in Archean to modern sediments. We propose that Archean negative Fe isotope excursions reflect partial Fe(II)(aq) utilization during abiotic pyrite formation rather than microbial dissimilatory Fe(III) reduction. Late Proterozoic to modern sediments may reflect greater Fe(II)(aq) utilization and variations in source composition.     

Bacterial Methanogenesis and Growth from CO2 with Elemental Iron as the Sole Source of Electrons

Previous studies of anaerobic biocorrosion have suggested that microbial sulfur and phosphorus products as well as cathodic hydrogen consumption may accelerate anaerobic metal oxidation. Methanogenic bacteria, which normally use molecular hydrogen (H(2)) and carbon dioxide (CO(2)) to produce methane (CH(4)) and which are major inhabitants of most anaerobic ecosystems, use either pure elemental iron (Fe(0)) or iron in mild steel as a source of electrons in the reduction of CO(2) to CH(4). These bacteria use Fe(0) oxidation for energy generation and growth. The mechanism of Fe(0) oxidation is cathodic depolarization, in which electrons from Fe(0) and H(+) from water produce H(2), which is then released for use by the methanogens; thermodynamic calculations show that significant Fe(0) oxidation will not occur in the absence of H(2) consumption by the methanogens. The data suggest that methanogens can be significant contributors to the corrosion of iron-containing materials in anaerobic environments.     

淹水培养过程中水稻土地杆菌科微生物群落结构变化特征

采用淹水非种植水稻土微环境模式系统,对水稻土进行1h和1、5、10、20、30d淹水培养,利用PCR-DGGE技术检测、多元统计分析淹水培养过程中地杆菌科微生物的群落结构和多样性变化规律及其影响因子。结果表明,淹水培养过程中地杆菌科微生物群落结构发生了明显的演替性变化:由r-对策优势种群演替至k-对策优势种群,且群落结构由不稳定向稳定演变(培养1h和1d处理间相似性最低,群落结构变化最大,20d和30d处理间相似性最高,群落结构变化最小);该过程中,地杆菌科微生物物种丰富度指数和Shannon-Weiner指数在1h处理中均为最小,5d处理的最大;CCA相关性分析表明,淹水培养过程中Fe(Ⅱ)浓度与群落结构多样性指数呈正相关,证实该类微生物对于异化铁还原能力具有重要作用;测序结果表明,19个优势DGGE条带与来自水稻土中的未培养地杆菌科微生物亲缘关系相近。     

树脂负载Fe(Ⅲ)/Cu(Ⅱ)非均相光Fenton体系降解罗丹明B模拟废水研究

采用浸渍法制备负载有Fe(Ⅲ)/Cu(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)的阳离子交换树脂(R)催化剂,在H_2O_2和节能灯照射条件下降解罗丹明B(Rh B)模拟印染废水。在H_2O_2浓度为20 mmol/L、曝气、30℃和光照条件下,0.05 g/L Fe(Ⅲ)/Cu(Ⅱ)/R催化剂在29 h内将20 mg/L的Rh B溶液降解完全,30 h后COD去除率为73.7%,且Fe(Ⅲ)/Cu(Ⅱ)/R催化剂具有最大的反应速率。Fe(Ⅲ)/Cu(Ⅱ)/R催化剂的稳定试验和重复试验表明,该催化剂在78 h光催化反应后,溶液中含有的Fe(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)浓度分别为0.5和0.2 mg/L,且在连续使用6次后仍具有较高的催化效率。Fe(Ⅲ)/Cu(Ⅱ)/R催化剂对Rh B的较高催化性能主要归因于铁、铜离子间的协同作用及光照的共同作用。     

痕量铁(Ⅲ)的催化比色测定

在硫酸介质中,抗坏血酸存在下,铁（Ⅲ）催化溴酸钾氧化结晶紫褪色,据此,建立了一种测定痕量铁（Ⅲ）的简单、灵敏的分析方法─催化比色法。该法线性范围是８～８０ｎｇ／２５ｍＬ,灵敏度为３２×１０－１０ｇ／ｍＬ。用于水及人发中痕量铁的测定,结果满意。