碳源浓度对微生物发酵产氢及铁还原特征的影响

为揭示碳源浓度对微生物发酵产氢及铁还原特征的影响,研究了发酵产氢型Fe(Ⅲ)还原菌JX1-25以不同浓度葡萄糖为唯一碳源时对Fe(Ⅲ)的还原特征、培养体系氢气分压及p H值,探讨了微生物产氢过程与Fe(Ⅲ)还原过程的关系,以及Fe(Ⅲ)还原过程对体系碳源电子消耗的贡献。结果表明:菌株JX1-25利用0.25、0.5、2、4、8、16 mmol·L-1葡萄糖为碳源还原Fe(Ⅲ)时,Fe(Ⅲ)还原率分别达到6.81%、12.47%、56.69%、97.71%、96.86%、99.77%;Fe(Ⅲ)还原潜势(a)、铁还原最大反应速率(Vmax)与氢气分压峰值(pp H2max)均随着体系葡萄糖浓度的升高而升高,而体系p H值随之降低;Fe(Ⅲ)还原过程消耗电子占体系葡萄糖提供电子的比例为2.02%~9.69%,产氢过程对体系葡萄糖提供电子的消耗比例为13.74%~19.45%。CCA分析发现菌株JX1-25利用不同浓度葡萄糖的Fe(Ⅲ)还原过程与产氢过程存在一定的相关性,pp H2max与a、Vmax呈显著正相关关系,与达到最大反应速率对应的时间(TVmax)和体系最低p H值(pHmin)呈显著负相关关系。     

纤维素作为电子供体对异化铁还原过程的影响

【目的】明确不同来源的铁还原微生物对纤维素的利用特征,探讨不同水稻土中铁还原微生物群落利用纤维素功能的差异,以及电子供体浓度与氧化铁还原的关系。【方法】以来源于吉林、天津、四川的水稻土为供试材料,分别采用土壤泥浆培养、水稻土微生物群落厌氧培养及纯培养试验方法,研究了添加纤维素作为电子供体对氧化铁微生物还原过程的影响。【结果】土壤泥浆厌氧恒温培养试验表明,与不添加纤维素的对照相比,添加5~40 g/L纤维素后,四川、吉林和天津水稻土中Fe(Ⅲ)还原的最大潜势分别增加10.5%~16.0%,-1.9%~0.6%及5.3%~14.4%,反应速率常数分别增加19%~89%,53%~96%及75%~164%,最大反应速率(Vmax)分别增加37%~109%,41%~79%及74%~148%。不同纤维素处理间的pH值有明显变化。在接种吉林、天津、四川和湖南水稻土微生物群落的处理中,当纤维素质量浓度为2~10 g/L时,其Fe(Ⅱ)的累积量分别为341.62~493.87,90.75~246.78,164.02~540.16和235.47~488.75 mg/L。随着添加纤维素浓度的增大,Vmax亦呈增大趋势。12株铁还原菌株的纯培养试验中,有4株菌的Fe(Ⅲ)还原率达到20.9%~23.6%,6株菌的Fe(Ⅲ)还原率为16.17%~19.94%,2株菌的Fe(Ⅲ)还原率仅为9.64%和9.66%。【结论】添加纤维素可使Fe(Ⅲ)还原的最大反应速率及速率常数增加,添加的纤维素浓度越大,其增加幅度越大。不同水稻土微生物群落,利用纤维素还原铁的能力具有明显差异。与接种不同水稻土微生物群落的铁还原过程相比,纯培养试验的Fe(Ⅱ)累积量明显较低,12株铁还原菌株直接利用纤维素的能力也较为有限。     

多孔介质含水率变化对洛克沙胂的希瓦氏菌生物转化影响

作为一种广泛使用的饲料添加剂,洛克沙胂经由畜禽粪便进入环境,产生潜在的砷污染。自然环境中,降雨变化具有时空分布不均匀性,导致土壤含水率时刻发生变化,从而对洛克沙胂的生物转化产生影响。本研究选取自然界中常见的奥奈达湖希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)为模型微生物,利用多孔介质石英砂作为模拟土壤的介质,研究洛克沙胂在不同含水率情形下的生物转化情况。研究结果表明,含水率的变化对于洛克沙胂的生物转化过程影响明显。在低含水率的条件下(12.50%),洛克沙胂难以被希瓦氏菌转化;而当含水率提升后,洛克沙胂才能够被S.oneidensis MR-1转化。通过砷平衡分析可以看出3-氨基-4-羟基苯胂酸为洛克沙胂生物转化的唯一产物,未检测出无机形态砷。     

水稻土中铁还原菌的分离纯化及铁还原能力分析

【目的】对水稻土中铁还原菌进行分离纯化,比较不同培养基的分离效果,研究不同菌株的铁还原特征。【方法】以四川和江西水稻土为材料,采用PTYG固体平板培养基及柠檬酸铁固体培养基(斜面)分离出兼性厌氧和严格厌氧的菌株,并通过柠檬酸铁液体培养基及Fe(OH)3培养基进行铁还原能力测定,比较不同菌株的Fe(Ⅲ)还原率大小、铁还原特征曲线,以及分别在LB液体培养基和柠檬酸铁液体培养基中的生长曲线。【结果】在以葡萄糖为碳源时,来源于江西水稻土的8个菌株对柠檬酸铁的利用率较高,铁还原率为84.34%~93.81%,而对Fe(OH)3的还原率为71.07%~90.90%;来源于四川水稻土的8个菌株对柠檬酸铁的还原率为83.78%~93.52%,而对Fe(OH)3的还原率为88.19%~99.84%。严格厌氧菌株的铁还原速率较快,在培养3 d后20个菌株的铁还原率都在90%以上,利用柠檬酸铁的铁还原率为90.49%~97.93%,利用Fe(OH)3的为94.03%~99.57%。在LB液体培养基及柠檬酸铁液体培养基中,不同菌株的对数生长期为10~25 h,前者的延滞期较短,而后者的细胞产量较大。【结论】由四川和江西水稻土中获得了对柠檬酸铁和Fe(OH)3具有高效利用率的铁还原菌株,其中严格厌氧菌株对2种铁源的利用率均明显大于兼性厌氧菌株。兼性厌氧铁还原菌株为革兰氏阴性芽孢杆菌,严格厌氧铁还原菌株为革兰氏阳性,有芽孢,属梭状杆菌。铁还原菌的生长与Fe(Ⅲ)的还原具有耦合关系。     

3株铁还原细菌利用不同碳源的还原特征分析

【目的】在纯培养方式下,研究水稻土中铁还原菌利用葡萄糖、果糖、心肌糖、淀粉和纤维素作为惟一碳源时对异化Fe(Ⅲ)还原的影响。【方法】以Fe(OH)3为惟一电子受体,不同单糖及多糖为惟一碳源,在30℃厌氧培养过程中,测定了3株铁还原细菌的Fe(Ⅲ)还原能力,及体系中剩余还原糖含量。【结果】铁还原菌株SC-a13、SC-a18和SC-a19在LB培养基中厌氧扩繁24 h,均可达到最大生长量。3株铁还原细菌总体上利用葡萄糖、果糖和淀粉的铁还原率分别为71.03%~82.86%,80.31%~85.77%和50.81%~73.21%,而心肌糖和纤维素难以被利用。在利用葡萄糖、果糖和淀粉时,体系pH在培养2~5 d急剧降低,然后稳定在3.5~4.5,而心肌糖和纤维素几乎没有变化。Fe(Ⅲ)反应潜势总体表现为菌株SC-a18>SC-a13>SC-a19,Fe(Ⅲ)反应速率常数和最大反应速率出现的时间表现为SC-a13>SC-a18>SC-a19。【结论】葡萄糖和果糖均能作为铁还原菌株SC-a13、SC-a18和SC-a19还原Fe(OH)3的优势碳源,淀粉的利用能力次之,心肌糖和纤维素则难以被直接利用。不同铁还原菌株之间利用不同糖源的Fe(OH)3还原反应速率常数具有较大差异。体系pH降低和剩余还原糖含量,可分别作为铁还原菌是否利用糖源进行Fe(Ⅲ)还原反应及其反应能力大小判定的特征。     

希瓦氏菌的研究进展

希瓦氏菌(Shewanella)隶属于弧菌科(Vibrionaceae),于1985年被正式命名。希瓦氏菌在自然界中分布广泛,目前已发现的菌种数达50多种。该属中的一些成员,如奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)在环境的生物修复及微生物燃料电池等方面存在较高的利用价值。但是,一些希瓦氏菌也是人类和水产动物的潜在病原,包括腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefacens)、海藻希瓦氏菌(Shewanella algae)和Shewanella xiamenensis等,目前该属中致病菌的数量还不明确。早期研究表明人类感染希瓦氏菌的主要途径是海水接触,而希瓦氏菌的感染宿主也主要为海水鱼;但是越来越多的人类无海水接触史的致病病例及淡水鱼类感染病例的出现,推测希瓦氏菌的宿主及传播途径可能具有多样性。     

淹水培养时间对水稻土中Fe（Ⅲ）异化还原能力的影响

为了模拟水稻土淹水过程,探讨不同淹水培养时间水稻土中铁还原微生物群落利用不同碳源的活性变化特征,以接种不同淹水时期的浙江水稻土浸提液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,不同碳源作为惟一电子供体,在30℃恒温条件下厌氧培养,定期测定Fe(Ⅱ)含量和pH值变化,采用Logistic 模型进行动力学分析.研究结果表明,葡萄糖作为电子供体时,不同淹水时期的微生物群落总体上对Fe(OH)3还原反应有较快的响应;丙酮酸盐作为碳源时,铁还原反应启动的时间整体迟于葡萄糖,Fe(Ⅱ)累积量在反应30d才表现出显著累积并逐渐趋于稳定;淹水20d的微生物群落能最先利用乳酸盐还原Fe(Ⅲ),反应15 d的Fe(Ⅱ)累积量达到601.60 mg·L-1;淹水30 d的铁还原微生物群落对乙酸盐的利用能力增强,最大Fe(Ⅱ)累计量升高到538.47 mg·L-1,Fe(Ⅲ)还原率达到75.8l%.不同淹水时期利用各种碳源的体系pH表现为葡萄糖从中性下降至酸性,丙酮酸盐和乳酸盐中性偏酸,乙酸盐的pH略微偏碱,不同淹水时期出现的水稻土微生物群落结构不同是导致Fe(OH)3还原能力不同的主要原因.不同的碳源利用可以指示不同的铁还原微生物群落变化:淹水培养早期的铁还原微生物群落对葡萄糖和丙酮酸盐的利用较为迅速和显著,同一时期出现的微生物群落不能以乙酸盐作为电子供体;淹水培养后期的铁还原微生物群落以乳酸盐和乙酸盐为优势碳源来还原Fe(OH)3.     

硫酸盐作为共存电子受体对微生物Fe(Ⅲ)还原过程的影响

Fe(Ⅲ)和SO42-都是水稻土中主要的电子受体,对厌氧过程中的电子传递起着重要作用。本研究采用土壤浸提液厌氧培养和纯培养的试验方法,探讨了SO42-作为电子竞争受体对不同水稻土微生物群落和铁还原细菌的Fe(Ⅲ)还原过程的影响。土壤浸提液培养试验结果表明,添加SO42-后Fe(Ⅲ)还原受到显著的抑制,Fe(Ⅲ)反应速率随着浓度的增加而降低。随着培养时间延长,Fe(Ⅲ)还原反应依然可以进行,Fe(Ⅱ)最终累积量达到与CK2相同的水平。在利用铁还原菌的纯培养试验中,添加SO42-对供试的四株铁还原菌的Fe(Ⅲ)还原过程并未产生抑制效应,表明铁还原菌本身并不受SO42-的影响。     

AQDS和腐植酸对微生物介导铁还原过程的影响

为探讨异化铁还原过程中电子传递物质的影响，研究了在腐败希瓦氏菌（希瓦氏菌属）介导下，腐植酸、腐殖质同类物蒽醌-2，6-二磺酸盐（anthraquione-2，6-disulfonate，AQDS）在厌氧条件下对异化铁还原过程的影响，并进行Logistics方程拟合；同时对不同来源腐植酸进行了元素分析、紫外-可见光吸收光谱分析和傅里叶红外吸收光谱分析。结果表明：添加低质量浓度（10~100 mg·L^-1）土壤腐植酸对异化铁还原过程的促进效果不明显，而高质量浓度（200~500 mg·L^-1）促进效果显著；与对照组（添加2 mL无菌水处理）相比，添加了泥炭湿地腐植酸的体系中Fe（Ⅱ）最终产生量增加，但各质量浓度处理间Fe （Ⅱ）产生量差别较小； AQDS促进Fe （Ⅲ）还原，其添加浓度越高，还原效果越好。Logistics方程显示，腐植酸和AQDS均能加快Fe （Ⅲ）还原速率，有效提高Fe （Ⅲ）还原率。两种不同来源腐植酸的分析结果显示，两者均有大量含氧活性官能团和芳香族、脂肪族物质，但与泥炭湿地腐植酸相比，土壤腐植酸腐殖化和芳香化程度更强。研究表明，腐植酸和AQDS作为电子传递物质，对促进微生物介导的铁还原过程有重要作用，且芳香化程度越强，促进效果越显著。     

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。