渤海沉积物中微生物铁还原能力及其影响因素探讨

采用恒温厌氧培养实验,以Fe（OH）3为唯一电子受体,通过测定接种不同沉积物提取液后的体系中Fe（Ⅱ）含量变化,研究了渤海沉积物在不同的碳源、温度、厌氧培养时间及pH条件下的铁还原特征。结果表明,从不同水质海区沉积物提取的微生物群落均可以葡萄糖和丙酮酸盐为优势碳源,并迅速还原Fe（Ⅲ）,其利用不同碳源的铁还原能力表现为葡萄糖〉丙酮酸盐〉乳酸盐〉乙酸盐;在不同水质海区之间Fe（Ⅲ）还原程度存在一定差异,Ⅲ类和Ⅳ类水质区域的微生物Fe（Ⅲ）还原能力明显低于Ⅰ类和Ⅱ类水质区域;以葡萄糖和丙酮酸盐作为碳源培养时,在15℃和30℃培养条件下其Fe（Ⅲ）还原反应的活性随着温度的升高而升高,表明微生物在优势碳源下,提高培养温度可促进铁还原反应的效率;淹水时间延长可改变微生物群落结构,促进利用葡萄糖和丙酮酸盐的微生物恢复增长,使Fe（Ⅲ）还原能力增强;微生物群落在pH中性体系条件下Fe（Ⅲ）还原能力最强,随着体系pH值由8.0升高到11.0或pH由6.0降低到3.0,体系中Fe（Ⅲ）还原能力均逐渐降低。     

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75.81%。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。     

生物炭对水稻土Fe(Ⅲ)还原过程中碳源利用效率的影响

研究以采自吉林和江西的水稻土为供试土壤,采用恒温泥浆厌氧培养方法,探讨添加生物炭和不同有机碳源(葡萄糖、乙酸钠、丙酮酸钠和乳酸钠)条件下土壤泥浆中Fe(Ⅱ)浓度和pH值的变化,采用Logistic模型对Fe(Ⅲ)的还原特征进行了拟合分析。结果表明,添加生物炭可以促进2种水稻土中的Fe(Ⅲ)还原能力。添加生物炭条件下,不同外源有机碳对水稻土中Fe(Ⅲ)还原特征的影响存在差异,在吉林水稻土中,对Fe(Ⅲ)还原的调控能力显著大于江西水稻土。2种水稻土均能较好地利用乳酸盐、丙酮酸盐和葡萄糖还原Fe(Ⅲ),而添加乙酸盐后的Fe(Ⅲ)还原则表现出一定的滞后性。添加乳酸盐处理最大Fe(Ⅲ)还原速率高于其他有机碳源,且达到最大Fe(Ⅲ)还原速率的时间最短,表明乳酸盐是2种水稻土中铁还原过程的优势碳源。添加发酵性的有机碳源可显著影响泥浆培养过程中的pH值,有机碳源对江西水稻土pH的影响明显大于吉林水稻土,表明吉林水稻土中有机碳源对发酵过程产生的氢的利用能力优于江西水稻土。     

控制光照条件下添加SO_4~（2-）对水稻土中Fe（Ⅲ）还原的影响

为探讨光照和硫酸盐对微生物Fe（Ⅲ）还原的影响,在光照和光暗转换条件下,采用厌氧泥浆恒温培育方法分别在四川和天津2种石灰性水稻土中添加不同浓度硫酸盐溶液（20、50、800mmol·kg-1）,培养过程中定期测定土壤泥浆的Fe（Ⅱ）、叶绿素a含量和pH值。结果表明：光照条件下,添加20mmol·kg-1和50mmol·kg-1硫酸盐能减缓光照培养中因为蓝细菌光合作用放氧引起的Fe（Ⅱ）氧化反应,Fe（Ⅱ）氧化反应启动时间与对照处理相比延迟3～7d;蓝细菌在光照培养5d后开始迅速繁殖生长,叶绿素a增长速率表现为随硫酸盐浓度增大而增加,其最终含量在四川和天津水稻土中分别为20mg·kg-1和16mg·kg-1;800mmol·kg-1硫酸盐则完全抑制了Fe（Ⅱ）的重新氧化,且在整个培养周期中没有发现光合细菌存在。pH值变化呈现先微弱下降后升高的趋势,但始终维持在弱碱性范围内。当由光照转入避光培养后,Fe（Ⅱ）累积量又重新回升,增长速率表现为对照〉20mmol·kg-1S处理〉50mmol·kg-1S处理。表明光照并非直接影响铁还原微生物,而是通过光合微生物繁殖间接影响铁还原过程。     

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SO24-,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SO24-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SO24-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SO24-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。     

双子叶植物根系Fe3+还原酶活性的2,2’─联吡啶比色测定法

对影响2,2联吡啶牌比色法测定双子叶植物根细胞原生质膜上Fe3+还原酶活性的有关因素进行了比较研究,确定了适宜的测试条件。结果表明,2,2联吡啶比色法测定的最大吸收波长为253.3nm,根系与反应液的适宜反应时间为2小时。反应过程中是否通气以及反应后放置时间均不影响最大吸收峰处的测定值。与黑暗相比,在光照下进行反应可明显提高还原酶活性。     

旱作褐土中氧化铁的厌氧还原与光合型亚铁氧化特征

土壤中铁的氧还过程与碳氮转化及自净能力关系密切,已还原亚铁的氧化受土壤性质的影响。采用室内恒温培养试验研究了旱作褐土中铁还原氧化过程、及其与水溶性碳、NO3-、SO42-的关系。结果表明旱作褐土中铁氧化物在厌氧光照条件下可先被还原后被再次氧化,其再氧化量介于1.46~3.00 mg g-1之间,平均2.09 mg g-1;再氧化速率常数介于0.23~0.80 d-1之间,平均0.48 d-1。再氧化量与土壤无定形铁、水溶性硫酸盐含量、阳离子交换量显著负相关,与土壤总氮、总磷显著正相关;再氧化速率常数与土壤有机碳显著负相关,与黏粒含量极显著正相关。厌氧光照培养可使旱作褐土水溶性无机碳平均降低52.74%,水溶性NO3-降低92.15%,水溶性SO42-增加55.38%。研究结果为深入理解旱作土壤潜在的微生物铁循环转化方式提供理论支持。     

溶液培养条件下腐殖酸对铁异化还原的影响

腐殖酸对土壤和水体环境中铁(Fe)的还原过程有重要影响。本文采用从山西大同风化煤、河南巩县褐煤、云南昆明滇池底泥中提取制备的腐殖酸,通过布置培育试验并接种土壤悬液,研究了不同来源的腐殖酸对无定形氧化铁异化还原的影响。结果表明:单独添加腐殖酸对氧化铁的还原几乎没有影响;而当同时添加腐殖酸与葡萄糖时,培养基质中氧化铁的还原过程显著加强;腐殖酸浓度越高对氧化铁还原的促进作用越明显。不同来源的腐殖酸因其复杂程度和结构不同,对氧化铁还原的促进作用有明显差异,其中山西大同风化煤提取的腐殖酸促进作用最大,云南昆明滇池底泥和河南巩县褐煤提取的腐殖酸之间则无显著差异。     

水稻土中水溶性有机碳对铁还原过程的贡献

【目的】 淹水稻田中Fe (Ⅲ) 还原过程与有机质的厌氧分解和氮、磷、硫等营养元素的有效性密切相关。通过探讨水溶性有机碳 (DOC) 对Fe (Ⅲ) 还原过程的贡献,以期为深入理解淹水稻田中铁循环耦联的碳、氮、磷、硫循环提供理论基础。 【方法】 采集我国不同植稻区的20个典型水稻土,通过有机碳分析仪及三维荧光光谱扫描比较分析不同水稻土DOC的含量及荧光特性;并模拟稻田淹水过程对水稻土进行厌氧淹水培养,采用微生物生长模型对不同水稻土厌氧培养过程中Fe (Ⅲ) 还原特征进行表征;依据相关分析和冗余分析,明确水稻土DOC与Fe (Ⅲ) 还原过程的关系。 【结果】 不同水稻土DOC含量为0.250～1.082 g/kg,仅占土壤有机碳的2.06%～6.86%。三维荧光光谱扫描鉴定得到不同水稻土DOC中4个共有的类腐殖酸荧光组分,其中陆源的UVC类腐殖酸和UVC+UVA类腐殖酸组分在不同水稻土中具有较高荧光强度,分别为0.799～4.570和0.830～5.273。水源的可见光区类腐殖酸和UVA腐殖酸的含量相对较低。各类腐殖酸来源以外源输入为主,内源输入为辅。不同水稻土铁还原潜势a、最大Fe (Ⅲ) 还原速率 (V_max) 及达到最大Fe (Ⅲ) 还原速率对应的时间 (T_Vmax) 间均差异显著,淹水5 d时水稻土中易被还原的非晶态氧化铁已基本被还原。DOC的腐殖化系数与Fe (Ⅲ) 还原特征参数存在显著相关性。其中以陆源的大分子量UVC类腐殖酸对a和V_max的贡献最高,陆源的UVC+UVA类腐殖酸和水源的UVA腐殖酸与a和V_max的相关关系也达到显著或极显著水平,而DOC含量的贡献最小。 【结论】 水稻土DOC的腐殖化程度及其中陆源腐殖酸类组分的荧光强度与Fe (Ⅲ) 还原潜势和Fe (Ⅲ) 还原反应速率呈正相关。水稻土DOC除了作为Fe (Ⅲ) 还原过程的电子供体外,其还以电子穿梭体的形式在Fe (Ⅲ) 还原过程中起重要作用。      

光照对水稻土中氧化铁还原的影响

选择不同地区的水稻土样品,采用泥浆厌氧恒温培育方法,在避光和光照条件下,测定了培养过程中土壤泥浆的Fe(Ⅱ)浓度及叶绿素a含量的变化。结果表明:光合微生物的产氧作用是影响水稻土中铁还原的主要原因,而光照对铁还原微生物没有直接影响;光合微生物仅在某些水稻土中大量繁殖,其叶绿素a含量随着光照时间延长由逐渐增加到趋于稳定。通过微生物镜检和光谱分析发现,由天津和四川水稻土中分离的光合微生物主要是念珠蓝细菌(Nostocsp.)和鱼腥蓝细菌(Anabaenasp.),其吸收光谱曲线均具有664 nm的叶绿素a吸收峰,表明其具有利用光合系统Ⅱ进行产氧光合作用的特征。在厌氧培养过程中Fe(Ⅱ)浓度与土壤中叶绿素a含量变化有着明显的负相关关系。     

渤海湾主要入海河流入海口沉积物有机氯农药污染特征及其来源分析

本文以渤海湾主要入海河流（蓟运河、永定新河、大沽河、独流减河、子牙新河、北排河）入海河口为研究区域,利用超声提取技术,使用气相色谱-电子捕获检测器（GC-ECD）方法测定了样品中的有机氯农药的含量。研究结果表明,上述主要入海河流河口沉积物的OCPs含量在34.0～518.3 ng.g-1之间（以干质量计）,以大沽河的污染最为严重。各河流的主要OCPs分布模式不同,其中永定新河、子牙新河OCPs污染以DDTs为主,蓟运河和北排河则以HCHs为主,独流减河七氯污染最为严重。与国内外其他地区沉积物相比,该地区沉积物中OCPs污染处于较高水平。主成分分析结果表明主要入海河流中都存在着OCPs的近期输入。     

天津近郊地区淡水养殖水体的表层水及沉积物中典型抗生素的残留分析

利用固相萃取-高效液相色谱-串联质谱联用技术（SPE-HPLC-MS/MS）分析了天津近郊养殖水体的表层水及沉积物中喹诺酮类、四环素类及磺胺类3类共18种抗生素的残留,同时考察3类抗生素在不同季节的变化分布特征。结果表明,在淡水养殖水体的表层水中环丙沙星、恩诺沙星和土霉素等检出率较高,浓度范围在10.5～26.8μg·L-1之间;相对地,在养殖水体的沉积物中磺胺甲基异噁唑、磺胺甲噻二唑、磺胺二甲氧嘧啶、诺氟沙星的检出率较高,浓度范围在1.5～30.1μg·kg-1之间。研究同时发现,冬季3类抗生素在表层水和沉积物中的检出率和检出浓度普遍高于夏季。说明在我国部分淡水养殖地区的养殖水体中已经有一定量的磺胺类和喹诺酮类抗生素的残留,并可能威胁到水生生物的安全,进一步对人体健康产生危害,因此应加强对淡水养殖环境中抗生素残留的监测与管理。