不同重金属离子对异化铁(Ⅲ)还原过程的影响

以水稻土土壤浸提液作微生物接种液,人工合成的F e(OH)3为唯一电子受体,测定了厌氧培养过程中F e(Ⅱ)浓度的变化,探讨了添加Cu2+,Zn2+,Pb2+,Cd2+,Hg2+和A s5+对铁还原过程的影响及添加不同浓度Cu2+和Hg2+对F e(Ⅱ)浓度的影响,并以土壤中添加不同浓度的Cu2+试验作为对比。结果表明,不同重金属对异化铁还原影响不同,在同一浓度的几种重金属中,Cu2+和Hg2+对异化铁还原抑制最强;不同浓度Cu2+和Hg2+对异化铁还原有不同程度的抑制,主要表现在增加异化铁还原发生前的时间,减慢异化铁还原的速率,当Cu2+和Hg2+浓度增加到一定程度时异化铁还原几乎不发生;水稻土中含有大量铜时,铁还原也会被抑制;添加外源氧化铁可以减轻铜对水稻土铁还原的影响。     

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。     

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。     

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。     

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。

     

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。     

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。     

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。     

苯系物作为唯一碳源对异化铁还原过程的影响

以水稻土浸提液为接种液、人工合成的无定形氧化铁为唯一的电子受体、添加的苯系物(甲苯、苯胺、苯酚、苯甲酸)为唯一碳源,在适量无机N,P,K营养供给条件下,采用厌氧恒温混合培养方法,研究了厌氧微生物对氧化铁还原的影响。结果表明,由水稻土中提取的微生物可以利用苯系物作为唯一碳源,在厌氧降解的同时将电子转移给F e(Ⅲ),使其还原为F e(Ⅱ);利用不同苯系物的铁还原过程难易程度有所差异,铁还原率表现为苯甲酸最高(53.99%),甲苯最低(19.55%),利用苯系物的铁还原率均低于以葡萄糖为碳源时的铁还原率(71.16%);不同浓度苯系物对氧化铁还原过程有不同程度的影响,在一定浓度范围内,随着苯系物浓度的增加其对氧化铁还原过程具有促进作用,而高浓度苯系物则对氧化铁还原过程表现出抑制趋势;以2.0 mm o l/L苯系物作为碳源时,蒽醌-2,6二-磺酸盐(AQDS)可明显增加F e(Ⅱ)的累积量。     

稻田土壤中添加不同浓度铬对 异化铁还原和铬还原的影响

采用水稻土为供试土壤,通过添加不同浓度铬的模拟试验,在厌氧培养条件下测定了土壤中可浸提态的亚铁和Cr(VI)浓度的变化,探讨了不同Cr(VI)浓度对厌氧条件下水稻土中微生物铁还原的影响及Fe(III)和Cr(VI)还原的竞争关系。结果表明:以一定浓度值为界限,在此浓度之下,铬参与水稻土中铁的微生物还原过程,可显著降低土壤中Cr(VI)浓度;在此浓度之上,铬对于土壤中的铁还原微生物是有毒害作用的,而导致铁的微生物还原不能发生,使土壤中Cr(VI)不被还原。     

外源物质对水稻土铁还原的影响

在厌氧恒温培养条件下 ,测定了添加 EDTA、黄腐酸及醋酸盐对 4种不同水稻土中铁还原的影响。为了探讨不同土壤中微生物对铁的还原能力 ,以添加人工合成的 Fe(OH ) 3作为对比。结果表明 ,添加黄腐酸及醋酸盐对铁还原的影响在不同水稻土中表现不同 ,其中吉林和广东水稻土的变化明显 ,并且醋酸盐的作用大于黄腐酸 ;四川和江西水稻土添加黄腐酸及醋酸盐后铁还原量与对照没有显著差异。添加 Fe(OH) 3在吉林水稻土中能够引起铁还原的滞后现象 ,但最终的铁还原量与四川及江西水稻土相似 ,都较对照有明显的增加。在 2 5℃条件下培养 ,不同土壤中易还原氧化铁的数量不同 ,表现为吉林水稻土 >四川水稻土 >广东水稻土 >江西水稻土 ,其中广东水稻土中具有很大的铁还原潜力。     

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。     

铁改性生物炭对水稻土中砷/铁还原的影响

为探讨铁改性生物炭对水稻土中砷（As）/铁（Fe）形态转化的影响,本研究以湖南某矿区周边As污染稻田土壤为研究对象,研究对照组（CK）、生物炭（CS）、铁改性生物炭（CFS）和蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS,AS）4个处理对As/Fe形态转化及微生物群落结构的影响。结果表明：培养至49 d时,各处理中释放的As（Ⅲ）浓度为CS（383.6 μg·L^-1）>AS（335.7 μg·L^-1）>CK（296.9 μg·L^-1）>CFS（109.7 μg·L^-1）;Fe（Ⅱ）浓度为CFS（166.3 mg·L^-1）>AS（155.1 mg·L^-1）>CS（123.8 mg·L^-1）>CK（72.43 mg·L^-1）。CK、CS、CFS、AS处理中溶解性有机碳（DOC）分别被利用了52.37%、56.96%、55.29%、53.52%;3个处理组液相层中DOC的腐殖化程度显著高于CK。16S rRNA基因测序结果表明,优势微生物为变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）,约占细菌总量的70.0%;CFS处理组中As/Fe还原菌（Clostridium、Geobacter和Anaeromyxobacter）的相对丰度显著高于其他处理。研究表明,施加铁改性生物炭会改变DOC的生物利用性及微生物群落结构,从而调控水稻土中As（V）/Fe（Ⅲ）的还原,为水稻土As污染修复提供理论基础。     

控制光照条件下生物炭对水稻土中铁还原过程的影响

为探究生物炭的添加对淹水稻田体系中蓝藻等光合微生物生长及稻田土水界面氧化还原平衡的影响,选择3种水稻土样品,采用土壤泥浆厌氧恒温培养方法,在控制光照条件下研究添加不同粒径生物质对光合细菌生长及Fe(Ⅲ)还原过程的影响。结果表明,避光条件下添加生物炭可以促进水稻土中铁还原过程,但不同粒度生物炭对铁还原的促进作用差异不显著。光照条件下添加不同粒度生物炭使天津(TJ)、宁夏(NX)和四川(SC)水稻土中叶绿素a(Chl a)含量分别降低35.63%~67.47%、39.66%~70.56%和46.82%,生物炭粒度对Chl a累积量的影响因土壤不同而存在差异。光照刺激下光合微生物的大量生长并产氧,引起了Fe(Ⅱ)的氧化,使Fe(Ⅱ)累积量降低了6.009~6.415 mg·g-1(TJ)、1.473~2.058 mg·g-1(NX)和3.037~3.693 mg·g-1(SC)。光照条件下,添加生物炭在三种水稻土中均对铁氧化过程有促进作用,且增加量与水稻土来源和生物炭粒度有关:TJ和SC水稻土中0.25 mm处理和0.25~0.5 mm处理对铁氧化的促进作用高于0.5~1.0 mm处理和1.0~2.0 mm处理;NX水稻土中,不同粒度生物炭对铁氧化的促进作用差异不明显。表征光合微生物生长的Chl a含量、体系p H的改变量及Fe(Ⅱ)的氧化量之间存在显著的相关性。     

添加EDTA及黄腐酸对水稻土中有效磷浓度的影响

通过吉林、四川、江西和广东 4种水稻土的室内厌氧模拟培养试验 ,测定了添加作为络合剂及电子穿梭物质的 EDTA、黄腐酸及人工合成氧化铁后土壤中有效磷浓度的变化。结果表明 ,厌氧培养条件下不同土壤中有效磷的释放不同。与土壤中铁还原趋势相似 ,随着厌氧培养时间的增加 ,土壤中有效磷浓度将逐渐增大 ,表明厌氧还原条件可以增加土壤磷素的有效性。加入氧化铁后 ,4种土壤中有效磷的浓度均显著降低 ,说明氧化铁对土壤磷素的固定强烈。添加 EDTA和黄腐酸溶液可以显著增加吉林、四川和江西土壤中有效磷的含量 ,而对广东土的作用比较微弱     

蚯蚓粪肥对水稻土磷形态及微生物活性的影响

采用盆栽试验方法,以小白菜为试验作物,研究蚯蚓粪肥对水稻土磷形态以及微生物活性的影响。结果表明:蚯蚓粪肥对土壤pH、Eh、水溶态Fe(Ⅱ)、盐酸提取态Fe(Ⅱ)、微生物生物量碳、微生物生物量磷、微生物生物量碳磷比以及酸性磷酸酶活性均有显著影响(P0.05);蚯蚓粪肥对于除稳定性磷C.HCl-Pi外的土壤各形态磷含量均有明显提高,其中对活性磷(Resin-P、NaHCO_3-Pi和NaHCO_3-Po)和中稳定性磷(NaOH-Pi和NaOH-Po)具有极显著性影响(P0.01)。相关性分析结果表明:在蚯蚓粪肥添加的土壤中,酸性磷酸酶活性与微生物生物量碳之间存在极显著正相关关系,与NaHCO3-Po存在显著负相关关系,与Resin-P、NaOH-Po均达到极显著负相关水平;微生物生物量碳与Resin-P、NaHCO_3-Po之间均存在极显著负相关关系,与盐酸提取态Fe(Ⅱ)之间存在极显著正相关关系;盐酸提取态Fe(Ⅱ)与NaHCO_3-Po、NaOH-Pi之间均为显著负相关;NaHCO_3-Pi与NaOH-Pi之间存在极显著正相关关系,Resin-P与NaHCO_3-Po、NaOH-Po均存在极显著正相关关系。研究表明:蚯蚓粪肥能够有效促进土壤铁溶解和还原,进而促进NaOH-Pi释放;蚯蚓粪肥添加有效改善土壤微生物环境,促进微生物对磷的活化和固持,同时增强了土壤酸性磷酸酶活性,其对NaOH-Po活化具有显著影响;蚯蚓粪肥添加的土壤中Resin-P主要来自NaHCO_3-Po、NaOH-Po的分解,而NaOH-Pi是NaHCO_3-Pi的主要来源。     

不同耕作模式对稻田土壤真菌丰度及群落结构的影响

为分析我国典型的稻田耕作模式下土壤真菌丰度及群落结构差异,以长期（10 a）4种典型稻田耕作模式为研究对象,设置以下处理：双季稻（DR）、早稻-晚稻（MR）、中稻-油菜（MROR）及中稻-小白菜-油菜（MRPOR）,利用实时荧光定量PCR及高通量测序手段测定土壤真菌的丰度及群落组成。结果显示,双季稻转变为单季稻及水旱轮作模式后显著改变了真菌的丰度,其中双季稻转变为中稻-小白菜-油菜后显著增加了真菌的丰度,相关性分析发现,硝态氮与真菌的丰度呈显著的正相关关系;双季稻转为单季稻及水旱轮作模式后显著改变了真菌的群落结构,冗余分析发现水分含量是影响真菌群落结构最主要的环境因子。综上研究表明,不同轮作模式下稻田土壤真菌群落丰度、组成及多样性存在差异。不同处理下真菌丰度受土壤硝态氮影响较大,而真菌群落结构主要受土壤含水量的影响。     

异化铁还原对水稻土CH4,CO2及N2O形成的抑制

采用厌氧泥浆恒温培养实验,测定了4种不同水稻土及添加外源氧化铁后土壤中CH4,N2O和CO2分压及Fe()浓度的变化,探讨了影响温室气体产生的土壤化学及生物学因素。结果表明:不同土壤中甲烷产生量有很大差异,其产甲烷能力的顺序表现为四川水稻土>江西水稻土>吉林水稻土>广东水稻土,添加氧化铁可显著抑制土壤中甲烷的形成。培养过程中不同土壤产生的CO2浓度相近,变化趋势也基本相同,添加氧化铁后均可导致CO2浓度显著降低。广东水稻土中N2O气体分压显著大于其他土壤,并且释放高峰期持续时间长,不同水稻土N2O产生能力的顺序为广东水稻土>四川水稻土>江西水稻土>吉林水稻土。添加Fe(OH)3后,江西、四川和吉林水稻土中N2O气体分压明显降低,而广东水稻土表现为释放高峰期推后。吉林、四川和江西水稻土中铁还原比较迅速,而广东水稻土中铁还原有明显滞后现象。添加乙酸盐和H2对广东水稻土中甲烷生成有明显的促进作用,证实了乙酸盐及H2浓度是限制广东水稻土甲烷生成的重要条件,添加氧化铁可有效抑制外源乙酸盐及H2的产甲烷过程。