不同浓度硫酸盐对水稻土中异化铁还原过程的影响

研究不同电子受体之间的竞争关系对揭示厌氧水稻土中微生物作用导致的氧化还原过程变化机理具有重要的理论意义.本研究采用土壤泥浆厌氧培养、人工合成氧化铁体系接种土壤浸提液厌氧培养及接种铁还原菌纯培养等试验方法,通过向培养体系中添加SO2-4,探讨了硫酸盐作为竞争电子受体对不同铁还原体系中Fe(Ⅲ)还原的影响.结果表明,在2种水稻土的泥浆培养过程中,Fe(Ⅲ)还原速率均随着SO2-4浓度增加而降低,但Fe(Ⅱ)的最终累积量却较对照处理有明显的增加.添加硫酸盐对Fe(Ⅲ)还原速率(k)的影响表现为:石灰性水稻土＞酸性水稻土;而最终Fe(Ⅱ)累积增加率则为:酸性水稻土＞石灰性水稻土.由接种不同水稻土浸提液的培养试验看出,添加SO2-4后Fe(Ⅲ)还原受到显著的抑制,但随着培养时间延长Fe(Ⅲ)还原反应依然可以进行,并且Fe(Ⅱ)累积量最终达到与CK相同的水平.在接种铁还原菌的纯培养试验中,添加SO2-4对供试的4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硫酸盐的影响.     

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。     

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。     

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。     

添加无机碳酸盐对水稻土中Fe(Ⅲ)还原特征的影响

通过添加不同浓度碳酸盐,探讨厌氧泥浆培养过程碳酸盐对6种水稻土Fe(Ⅲ)还原特征的影响。结果表明,添加碳酸盐可显著提高宝坻和东宁水稻土中Fe(Ⅲ)还原潜势及最大反应速率,降低最大反应速率所对应的时间;添加高质量摩尔浓度碳酸盐将显著降低上饶和汉中水稻土的Fe(Ⅲ)还原潜势和最大反应速率;不同质量摩尔浓度碳酸盐对强酸性的奉化水稻土中Fe(Ⅲ)还原潜势没有明显影响,但最大反应速率则表现为先增大后降低的趋势;对于强碱性的松原水稻土表现为Fe(Ⅲ)还原潜势降低,但最大反应速率增大。整体比较,添加碳酸盐对酸性水稻土中氧化铁还原的影响程度低于碱性水稻土。典范对应分析表明,添加碳酸盐增加有机质对Fe(Ⅲ)还原潜势的贡献,降低无定形氧化铁和游离氧化铁对最大反应速率的贡献。Fe(Ⅲ)还原潜势和最大反应速率与土壤有机质质量分数和培养体系pH有密切联系。     

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。     

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。     

不同水稻土中氧化铁的微生物还原特征

采用厌氧恒温培养试验,比较了4种水稻土中氧化铁的微生物还原状况。结果表明,4种不同来源水稻土中Fe( )生成量有较大差异,其中吉林和四川水稻土中铁还原迅速,而江西和广东水稻土相对较慢;还原反应达到平衡时的Fe( )积累量及铁还原快速期的平均反应速率由土壤中氧化铁的数量决定,并与无定形氧化铁和游离氧化铁的数量有关;4种水稻土中可还原铁占全铁及游离氧化铁的比例分别为7.73%～21.6%及10.0%～74.6%;广东水稻土的铁还原90%是利用无定型铁,而在四川和江西水稻土中,近乎50%的铁还原来自于晶体氧化铁;升高温度可促进土壤中Fe( )产生量,并且吉林水稻土对温度的响应最敏感;不同土壤的铁还原启动期、快速期和稳定期的时间有明显区别,并且与土壤中微生物菌数、土壤有机质及有机电子供体的数量密切相关。     

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。     

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。     

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。     

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。

     

温度及AQDS对氧化铁微生物还原过程的影响

【目的】研究水稻土中微生物铁还原过程的温度效应,揭示不同铁还原微生物的作用机理。【方法】采用5种水稻土为供试材料,分别提取微生物群落或分离铁还原菌株;以人工合成氧化铁作为惟一电子受体,在无机盐培养体系中接种土壤浸提液或具有铁还原功能的菌株,厌氧恒温培养;通过对接种液的不同温度处理(40,50,60,70℃)、对培养温度的控制(30和50℃)以及向体系中添加AQDS,探讨温度及AQDS对氧化铁微生物还原过程的影响。【结果】将来源于吉林、天津和湖南水稻土的浸提液在40~70℃处理1 h后作为接种液,随着处理温度的升高,其Fe(Ⅱ)产生量和反应速率均呈逐渐降低趋势。在30和50℃培养温度下,来源于吉林、天津和四川的3种水稻土微生物群落添加AQDS可使Fe(Ⅲ)还原的反应速率常数增加10%~288%,而温度变化的增加幅度仅为6%~17%;对分离自四川和江西水稻土中的6株铁还原菌的纯培养试验发现,菌株JX-a08的Fe(Ⅱ)最大累积量、还原速率常数、最大反应速率及铁还原率均随培养温度的升高明显增加,表明菌株JX-a08更适于在50℃下生长。【结论】于40~70℃升温处理后,来源于吉林、天津和湖南水稻土微生物群落的铁还原能力受到一定程度抑制;添加AQDS可显著增加来源于吉林、天津和四川水稻土的3种微生物群落的铁还原反应速率;在6株铁还原菌的纯培养试验中发现了1株更适于在50℃下生长的菌株。     

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。     

厌氧环境下Cr(Ⅵ)的微生物还原能力

通过接种土壤微生物的混合培养及土壤泥浆培养试验,测定了厌氧培养过程中C r(Ⅵ)和F e(Ⅱ)浓度的变化,研究了不同浓度铬酸盐的微生物还原能力及不同浓度铬酸盐对水稻土中氧化铁还原的影响。结果表明,由水稻土中提取的微生物虽然能够直接还原C r(Ⅵ),但其还原速率和还原程度有限,且C r(Ⅵ)浓度越高,微生物的还原能力越差;不同来源的土壤微生物对C r(Ⅵ)的还原能力有所差异,其中四川水稻土中微生物对C r(Ⅵ)的还原能力均大于江西水稻土;在厌氧培养的水稻土中,添加的C r(Ⅵ)可以较迅速地还原,其中土壤氧化铁的微生物还原过程对C r(Ⅵ)还原具有明显的促进作用;C r(Ⅵ)的存在导致F e(Ⅱ)生成的时间出现滞后,且C r(Ⅵ)浓度越大生成F e(Ⅱ)的滞后时间越长;F e(Ⅱ)产生滞后的时间与C r(Ⅵ)还原结束的时间具有一致性。     

有机碳源对水稻土中微生物铁还原特征的影响

水稻土中的Fe(Ⅲ)还原过程是微生物介导的生物学过程,是地球化学循环中重要的一部分。为了探讨不同的电子供体对水稻土异化铁还原过程的影响,采用厌氧泥浆的培养方式,向水稻土中添加葡萄糖、乙酸钠、丙酮酸钠、乳酸钠作为碳源,定期测定Fe(Ⅱ)的累积量和pH变化,并用Logistic方程对结果进行拟合分析。结果表明,供试的4种水稻土均能较好地利用葡萄糖、丙酮酸盐和乳酸盐还原Fe(Ⅲ),而乙酸盐则不同程度的抑制了铁还原过程的发生,特别是吉林水稻土添加乙酸盐后,这种抑制作用更明显。4种水稻土添加丙酮酸盐的处理具有最大铁还原速率(Vmax),并且达到最大铁还原速率的时间(TVmax)最短。不同来源水稻土微生物在利用碳源时具有一定的选择性。影响不同水稻土铁还原潜势的主要因素是水稻土中无定形铁的含量,土壤全磷含量过高时对铁还原过程也有一定的抑制作用,添加碳源后体系pH同Fe(Ⅱ)累积量之间表现出显著负相关。     

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。     

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。     

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。     

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。