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微氧生物亚铁氧化及其重金属固定效应研究进展

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生态环境学报 2024年第2期33卷 310-320页

作者：李嘉惠童辉陈曼佳刘承帅姜琪易秀长安大学水利与环境学院/旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室陕西西安710054 广东省科学院生态环境与土壤研究所广东广州510650 中国科学院地球化学研究所贵州贵阳550081

铁的生物地球化学循环对于多种环境过程至关重要,如碳封存、温室气体排放以及营养元素和有毒金属的迁移和转化。近年来,随着分离培养方式及分子生物学方法的发展,作为铁循环的重要组成部分的微氧生物铁氧化的研究取得了显著的进展。微... 详细信息

铁的生物地球化学循环对于多种环境过程至关重要,如碳封存、温室气体排放以及营养元素和有毒金属的迁移和转化。近年来,随着分离培养方式及分子生物学方法的发展,作为铁循环的重要组成部分的微氧生物铁氧化的研究取得了显著的进展。微氧型亚铁氧化菌广泛分布于近中性环境中,其分离栖息地从地下水、湿地、溪流延展至深海环境。微氧生物亚铁氧化成矿过程主要发生在细胞表面,生成比表面积较大的无定型铁氧化物。大部分微氧型亚铁氧化菌通过形成鞘状或螺旋柄状结构的胞外多聚物吸附生成的铁氧化物,防止自身被铁氧化物包埋,导致无法正常代谢而死亡。亚铁氧化成矿过程可吸附和共沉淀重金属元素,降低重金属的移动性和生物可利用性,从而缓解重金属的污染,为治理环境污染提供新的思路。文章主要总结了近年来国内外对嗜中性微氧型亚铁氧化菌的研究进展,包括其代谢特征、种类及分布、以及亚铁氧化菌的成矿机制和成矿过程对重金属迁移转化的影响。最后对如何快速有效地分离微氧型亚铁氧化菌、明确成矿过程中的特殊结构的形成机制等问题进行了讨论和展望。

关键词：微氧型亚铁氧化菌铁还原菌亚铁氧化铁氧化物重金属微氧环境

石灰性水稻土中硝酸盐依赖型与光合型亚铁氧化过程

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土壤学报 2023年第1期60卷 127-137页

作者：陈志怀王旭刚孙丽蓉董乐恒郭大勇石兆勇河南科技大学农学院河南洛阳471000 洛阳市植物营养与环境生态重点实验室河南洛阳471000 洛阳市共生微生物与绿色发展重点实验室河南洛阳471000

厌氧条件下土壤中铁氧化还原过程与土壤氮循环关系密切,且硝酸盐依赖型亚铁氧化(nitrate-dependent ferrous oxidation,NDFO)和光合型亚铁氧化(photosynthetic ferrous oxidation,PFO)是亚铁氧化的两个重要的生物途径,然而目前关于石灰... 详细信息

厌氧条件下土壤中铁氧化还原过程与土壤氮循环关系密切,且硝酸盐依赖型亚铁氧化(nitrate-dependent ferrous oxidation,NDFO)和光合型亚铁氧化(photosynthetic ferrous oxidation,PFO)是亚铁氧化的两个重要的生物途径,然而目前关于石灰性水稻土中NDFO与PFO之间的关系仍不明晰。以采自黄河中下游地区河南省孟津县的水稻土为样品,设置培养前添加和培养过程中添加10 mmol·L^(–1)的硝酸根离子/铵离子(NO_(3)^(-)/NH_(4)^(+))的恒温厌氧泥浆培养试验,通过监测泥浆中Fe(Ⅱ)、O_(2)、NO_(3)^(-)和亚硝酸根离子(NO_(2)^(-))的动态变化与培养后的NH_(4)^(+)含量探究了NO_(3)^(-)在石灰性水稻土Fe(Ⅱ)氧化过程的作用及其与光合型亚铁氧化的关系。结果表明:避光条件下石灰性水稻土中存在NDFO,但产生的Fe(Ⅲ)可在NO_(3)^(-)消耗殆尽时被再次还原而掩盖Fe(Ⅱ)氧化现象。光照条件下NDFO和PFO可同时存在,PFO可致1.99 mg·g^(–1) Fe(Ⅱ)氧化,NO_(3)^(-)的加入可使Fe(Ⅱ)氧化量增加0.57 mg·g^(–1)。光照可抑制NO_(3)^(-)的还原而抑制NDFO。研究结果对于进一步理解湿地铁的氧化还原及其耦合的氮素转化过程有重要意义。

关键词：水稻土亚铁氧化光合产氧硝酸盐还原氮素转化

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化电子传递链的基础研究

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嗜酸性氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化电子传递链的基础研究

作者：王锐章山东大学

学位级别：硕士

嗜酸性硫杆菌属微生物(Acidithiobacillus spp.)是一类化能自养型细菌,这类细菌能在含有微量O2的环境下,氧化地壳矿石中的铁元素或硫元素获得生长代谢所需的能量,氧化得到的Fe3+作为氧化剂能够析出矿石中的金属。基于这一特性,嗜酸性硫... 详细信息

嗜酸性硫杆菌属微生物(Acidithiobacillus spp.)是一类化能自养型细菌,这类细菌能在含有微量O2的环境下,氧化地壳矿石中的铁元素或硫元素获得生长代谢所需的能量,氧化得到的Fe3+作为氧化剂能够析出矿石中的金属。基于这一特性,嗜酸性硫杆菌属微生物作为生物浸矿中的优势菌种被应用于生物冶金行业。嗜酸性硫杆菌属中的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)除具有硫代谢能力外,还具有亚铁氧化代谢能力,是研究各类亚铁氧化细菌(FeOB)的典型代表。目前已报道在A.ferrooxidans模式菌株ATCC 23270中预测的亚铁氧化电子传递模型是一个由“顺电势”和“逆电势”两个分支的电子传递链共同参与的亚铁氧化过程。由rus操纵子编码的顺电势梯度电子传递链接受外界环境中Fe2+氧化成Fe3+失去的电子,由细胞色素c蛋白Cyc2将电子经过一系列电子传递蛋白最终传递给O2生成水,同时伴随着ATP的生成。逆电势梯度电子传递链由petI操纵子编码,少量由Cyc2获得的电子经Rus分支点沿这条电子传递链传递,最终产生细胞生长代谢所需的还原力。模型为研究该菌的亚铁氧化机制提供了参考,但由于该菌的遗传操作难度非常大,模型尚缺少实验验证。研究表明,生物冶金的效率很大程度取决于Fe3+的浓度。目前,亚铁氧化能力不高是生物冶金中重要的限速步骤。因此,深入研究A.ferrooxidans亚铁氧化代谢机制,明确关键蛋白,可为构建具有更高亚铁氧化效率的工程菌奠定理论基础。为深入研究A.ferrooxidans的亚铁氧化机制,本文首先将既能氧化还原性硫化物又能氧化亚铁的A.ferrooxidans ATCC 23270与嗜酸性硫杆菌属中一个只能利用还原性硫化物的A.thiooxidans模式菌株ATCC 19377进行了比较基因组学分析,进一步挖掘与亚铁氧化相关的功能基因,完善对A.ferroooxidans亚铁氧化代谢机制的理解;为探究编码亚铁氧化电子传递链两个操纵子的功能,本文使用两个广泛宿主范围质粒pJRD215-ΔSm和pMSD1,构建了分别含有rus操纵子和petI操纵子的重组质粒pJRD215-ΔSm-Orus和pMSD1-OpetI,采用接合转移技术分别转入A.ferrooxidans ATCC 23270中过表达和转入不具有亚铁氧化功能的A.thiooxidans ATCC 19377中异源表达,通过检测培养基中亚铁离子浓度、菌体生长量以及相关基因的差异性表达情况,发现rus操纵子和petI操纵子的过表达都可提高A.ferrooxidans的亚铁氧化能力和生长,说明两操纵子在该菌亚铁代谢中具有重要作用;发现只在A.thiooxidans中表达rus操纵子或petI操纵子不能使该菌获得以亚铁为唯一能源生长的能力,但可促进该菌以硫粉为能源的生长,且随着Fe2+的加入促进作用更明显,rus操纵子还能使培养液中Fe2+减少,说明rus操纵子能使A.thiooxidans初步具备氧化亚铁的能力,petI操纵子虽不能使菌株直接获得氧化亚铁的能力,但是很可能有助于A.thiooxidans的硫代谢促进其生长。因此,rus操纵子在亚铁氧化中的作用更重要,还需要进一步构建含有rus和petI两个操纵子的A.thiooxidans工程菌并检测其亚铁氧化能力。实验室前期采用无痕敲除技术敲除了亚铁氧化电子传递链第一个受体蛋白Cyc2编码基因cyc2,发现构建的A.ferrooxidans Δcyc2敲除株仍然具有亚铁氧化能力,且AFE428表达显著上调。由于外膜蛋白Cyc2是rus操纵子中第一个传递亚铁氧化产生的电子的受体,其功能是将电子传递给细胞周质的Rus蛋白,所以推测AFE428蛋白替代了 Cyc2,但缺少证据。本文先对AFE428与Cyc2的蛋白结构进行了比对,发现两者具有很高的相似性,均具有保守的血红素A位点,均可形成类似孔蛋白结构域的具有β桶结构的三级结构。通过在大肠杆菌中异源表达和纯化AFE428、Cyc2和Rus蛋白以及体外Pull-down实验,发现Cyc2和AFE428均与Rus在体外产生了特异性相互作用,为在A.ferrooxidansΔcyc2敲除突变株中AFE428蛋白可以替代Cyc2作为第一个电子受体在A.ferrooxidans亚铁氧化代谢中发挥作用的推测提供了支持。萤火虫荧光素酶(Firefly Luciferase,Luc)报告基因被广泛应用于基因表达调控的研究领域,为探究该报告基因在A.ferrooxidans中的应用,本文以AFE428与cyc2的启动子P1428、PIPII为研究对象,以荧光素酶作为报告基因,检测了质粒上携带的表达盒分别在E.coli和A.ferrooxidans中表达的荧光素酶活性。实验结果表明,荧光素酶可以作为报告基因用于以硫粉为能源培养的A.ferr

关键词：嗜酸性氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化电子传递链 rus操纵子 petI操纵子

土壤铁氧化物-亚铁的相互作用及其环境影响研究进展

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土壤 2023年第4期55卷 718-728页

作者：姚远余光辉滕辉天津大学地球系统科学学院表层地球系统科学研究院天津300072 中国地质调查局西安地质调查中心西安710119

铁氧化物和溶液相亚铁常在厌氧土壤环境中共存。铁氧化物能够加快亚铁的氧化速率,且控制亚铁氧化成矿产物的类型,同时,亚铁与铁氧化物组成的系统是一种良好的还原剂,能够有效还原重金属及降解有机污染物。另一方面,亚铁能够催化铁氧化... 详细信息

铁氧化物和溶液相亚铁常在厌氧土壤环境中共存。铁氧化物能够加快亚铁的氧化速率,且控制亚铁氧化成矿产物的类型,同时,亚铁与铁氧化物组成的系统是一种良好的还原剂,能够有效还原重金属及降解有机污染物。另一方面,亚铁能够催化铁氧化物晶相转变,导致铁氧化物结构和表面性质发生改变,进而影响相关重金属、有机质的环境行为。本文综述了铁氧化物催化亚铁氧化成矿、铁氧化物–亚铁系统还原污染物以及亚铁催化铁氧化物相变的反应机制及影响因素,最后,对未来在自然土壤中研究铁氧化物–亚铁界面反应及其环境影响进行了展望。

关键词：铁氧化物亚铁氧化矿物相变有机污染物重金属

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低C/N亚铁氧化硝酸盐还原菌群脱氮特性

中国环境科学 2021年第8期41卷 3723-3732页

作者：周佳敏黄廷林刘茜杨尚业寇莉青西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室陕西西安710000 西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室陕西西安710000 陕西省引汉济渭工程建设有限公司陕西西安710010

为削减微污染水库中氮污染负荷,从西安市李家河和黑河水库沉积物中驯化筛分出在低C/N条件下能够高效脱氮的亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群,并将其命名为Z13.利用硝酸盐氮为唯一氮源、亚铁与乙酸作为共同电子供体的反硝化基础培养基,研究了... 详细信息

为削减微污染水库中氮污染负荷,从西安市李家河和黑河水库沉积物中驯化筛分出在低C/N条件下能够高效脱氮的亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群,并将其命名为Z13.利用硝酸盐氮为唯一氮源、亚铁与乙酸作为共同电子供体的反硝化基础培养基,研究了亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13对氮素、亚铁和有机物等的代谢特征.考察了不同温度、初始pH值、C/N、Fe^(2+)浓度对亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13脱氮性能及亚铁氧化的影响.结果表明,低C/N条件下亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13在78h时硝酸盐氮去除率为99.85%,总氮去除率为89.91%.Fe^(2+)的总去除率为99.86%,其中生物氧化率为82.70%,无亚硝酸盐氮和氨氮的累积.单因素实验表明,在温度30℃,pH 6.5,C/N 1.821,Fe^(2+)浓度30mg/L时,亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13对亚铁氧化和氮素的去除效果最好.亚铁氧化硝酸盐还原混合菌群Z13在微污染水体生物脱氮领域中具有很大的应用潜力.

关键词：低C/N 亚铁氧化硝酸盐还原生物脱氮

污染河流底泥亚铁氧化硝酸盐还原菌分离及代谢特性

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中国环境科学 2015年第5期35卷 1554-1562页

作者：谢小兰余光伟种云霄龙新宪华南农业大学资源环境学院广东高校污水生态处理与水体修复工程技术研究中心广东广州510642

采用常规分离培养方法,从富含亚铁厌氧还原态底泥中分离得到多株亚铁氧化硝酸还原菌,并从中选取1株:FX-Fe5菌株进行详细分析研究.经革兰氏染色、光学显微镜及扫描电镜观察,该菌为革兰氏染色阴性长杆菌,经16Sr RNA测序分析确定为:拉乌尔... 详细信息

采用常规分离培养方法,从富含亚铁厌氧还原态底泥中分离得到多株亚铁氧化硝酸还原菌,并从中选取1株:FX-Fe5菌株进行详细分析研究.经革兰氏染色、光学显微镜及扫描电镜观察,该菌为革兰氏染色阴性长杆菌,经16Sr RNA测序分析确定为:拉乌尔菌属种类(Raoultella sp.).利用亚铁作为单独电子供体和亚铁与不同比例乙酸作为共同电子供体反硝化反应液,研究了FX-Fe5菌株对亚铁、硝酸盐氮和有机物的代谢特点.结果表明,FX-Fe5在24h内可对亚铁进行较大幅度的去除,去除率(%)分别为:89.77±0.47a(亚铁与乙酸盐比例1:1)、87.01±0.22b(亚铁与乙酸盐比例3:1)、86.96±0.07b(仅亚铁)、72.97±0.53c(亚铁与乙酸盐比例1:3),高于文献报道大部分纯菌的亚铁氧化率;亚铁和乙酸盐为共同电子供体时,乙酸和亚铁在硝酸还原过程中同步减少;重复反应的结果发现FX-Fe5菌株在不提供乙酸盐时,不能持续地利用亚铁进行硝酸还原反应.FX-Fe5菌株利用亚铁对硝酸还原过程中没有出现明显的亚硝酸盐氮和氨的积累,各反应体系反应气体中都含有N2O的存在,所占比例都不高,最高的情况不超过0.5%(5000×10-6),但不同电子供体间差别非常大.利用Biology对碳源代谢特点分析表明,FX-Fe5菌株但对单糖/糖苷/聚合糖类优先利用且利用程度较高.

关键词：厌氧还原态底泥亚铁氧化硝酸还原

豫西旱作褐土剖面土壤的氧化铁还原与亚铁氧化特征

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土壤学报 2018年第5期55卷 1199-1211页

作者：王旭刚孙丽蓉张颖蕾徐晓峰郭大勇石兆勇河南科技大学农学院河南洛阳471023

土壤铁氧化物的氧化还原过程不仅与重金属的生物有效性和有机污染物降解转化关系密切,也与旱地土壤肥力关系密切,因而备受关注。然剖面土壤耕层以下是否存在铁氧化物的还原、氧化过程,其特征如何尚未可知。本文采用恒温厌氧泥浆培养的... 详细信息

土壤铁氧化物的氧化还原过程不仅与重金属的生物有效性和有机污染物降解转化关系密切,也与旱地土壤肥力关系密切,因而备受关注。然剖面土壤耕层以下是否存在铁氧化物的还原、氧化过程,其特征如何尚未可知。本文采用恒温厌氧泥浆培养的方法研究旱地褐土剖面中铁的氧化还原特征。结果表明,旱地土壤剖面0~100cm中均存在铁的厌氧还原过程,还原潜势、最大速率均随剖面深度增加而显著降低;剖面0~80cm土层中均存在光合型Fe(II)氧化现象,0~40cm土层Fe(II)氧化量和氧化速率显著高于40~80cm。剖面的铁氧化还原过程不仅受有机碳含量影响,也受N、K等养分元素的影响。结果可为拓展对铁氧化还原微生物生境的认识、深入理解土壤剖面中铁氧化还原过程提供依据。

关键词：旱地土壤铁还原土壤剖面亚铁氧化褐土

稻田土壤微生物驱动的微好氧亚铁氧化耦合碳同化过程

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中国科学：地球科学 2019年第12期49卷 1948-1959页

作者：李晓敏牟山陈娅婷刘同旭董军李芳柏华南师范大学环境研宂院广东省化学品污染与环境安全重点实验室教育部环境理论化学重点实验室广州510006 广东省生态环境技术研宂所广东省农业环境综合治理重点实验室广州510650 电子科技大学微电子与固体电子学院成都610054 四川大学-香港理工大学灾后重建与管理学院成都610207

在富铁的淡水和海洋环境中,微生物驱动的中性微好氧亚铁氧化过程能够耦合碳同化过程;而针对中国华南红壤关键带稻田土壤中的这一耦合过程却鲜有报道.文章分别以Fe S和Fe CO3为底物,以华南淹水稻田根际土壤为接种物,采用铁氧反向浓度梯... 详细信息

在富铁的淡水和海洋环境中,微生物驱动的中性微好氧亚铁氧化过程能够耦合碳同化过程;而针对中国华南红壤关键带稻田土壤中的这一耦合过程却鲜有报道.文章分别以Fe S和Fe CO3为底物,以华南淹水稻田根际土壤为接种物,采用铁氧反向浓度梯度管法富集培养来自稻田土壤中的微氧型亚铁氧化菌,利用13C-Na HCO3为无机碳源示踪碳同化量变化,测定亚铁氧化动力学和表征生物成矿,并通过16s r RNA基因测序手段分析微生物群落的组成与丰度.结果发现,与添加亚铁底物的不接种对照相比,在含Fe S和Fe CO3的接种处理中距培养基表面0.5~1.0cm处形成微生物生长环带,且两者环带中总蛋白量最高值均出现在第6d,可达18.7~22.9mg m L^-1.碳同化量在6~15d时进入平稳期,此时Fe S和Fe CO3接种处理的碳同化量分别为0.44~0.54%和1.61~1.98%.Fe S接种处理亚铁氧化速率(r)为0.156mmol L^-1d^-1,比Fe CO3接种处理的(0.106mmol L^-1d^-1)略高;XRD和SEM-EDS结果显示亚铁氧化形成了无定型铁氧化物,并覆盖在杆状的菌体表面.与没有添加亚铁底物的对照处理相比,Fe S接种处理中Clostridium和Pseudogulbenkiania的相对丰度明显提高,而Fe CO3为底物时提高了Vogesella、Magnetospirillum、Solitalea和Oxalicibacterium的相对丰度,表明上述微生物可能具有潜在的微好氧亚铁氧化功能.上述结果证明,稻田土壤中存在可驱动微好氧亚铁氧化耦合碳同化过程的微生物,可为探讨红壤关键带微好氧区域的铁-碳元素转化耦合过程提供新的视角.

关键词：微好氧亚铁氧化稻田土壤碳同化微生物

微生物介导硝酸盐还原耦合亚铁氧化过程的动力学及其影响因素

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微生物学报 2021年第6期61卷 1536-1550页

作者：杨泽胜陈国俊张相杰程宽龙明亮刘同旭中国科学院广州地球化学研究所广东广州510640 广东省科学院生态环境与土壤研究所华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心广东省农业环境综合治理重点实验室广东广州510650 中国科学院大学北京100049

【目的】探究不同菌浓度和亚铁浓度条件下,Acidovorax sp.strain BoFeN1介导的厌氧亚铁氧化耦合硝酸盐还原过程的动力学和次生矿物。【方法】构建包含菌BoFeN1、硝酸盐、亚铁的厌氧培养体系,测试硝酸根、亚硝酸根、乙酸根、亚铁等浓度,... 详细信息

【目的】探究不同菌浓度和亚铁浓度条件下,Acidovorax sp.strain BoFeN1介导的厌氧亚铁氧化耦合硝酸盐还原过程的动力学和次生矿物。【方法】构建包含菌BoFeN1、硝酸盐、亚铁的厌氧培养体系,测试硝酸根、亚硝酸根、乙酸根、亚铁等浓度,并收集次生矿物,采用XRD、SEM进行矿物种类和形貌表征。【结果】在微生物介导硝酸盐还原耦合亚铁氧化的体系中,高菌浓度促进硝酸盐还原,对亚铁氧化也有一定促进作用;高浓度亚铁在低菌浓度下氧化反应速率和程度降低,但是在高菌浓度下无明显影响;亚铁浓度越高次生矿物结晶度越高,但对硝酸盐还原具有一定抑制作用。在微生物介导亚硝酸盐还原耦合亚铁氧化的体系中,高的菌浓度和亚铁浓度都会促进亚硝酸盐还原,但亚铁氧化的次生矿物会对亚硝酸盐的微生物还原产生较强的抑制作用,次生矿物的种类和结晶度主要受亚铁浓度影响。【结论】硝酸盐还原主要是生物反硝化作用,亚硝酸盐还原包含生物反硝化和化学反硝化两部分,在硝酸盐体系中亚铁氧化与次生矿物生成是受生物和化学反硝化作用的共同影响,但亚硝酸盐体系中亚铁氧化与次生矿物生成主要是受化学反硝化作用影响。该研究可为深入理解厌氧微生物介导铁氮耦合反应机制提供基础数据和理论支撑。

关键词： Acidovorax sp.strain BoFeN1 硝酸盐还原亚铁氧化含铁矿物