微生物还原针铁矿胶体的动力学特征及其影响因素

基于典型的希瓦氏金属还原菌(Shewanella decolorationis S12)和针铁矿相互作用的现象,探讨了电子供体、针铁矿浓度及氧化还原中介体2-磺酸钠蒽醌(AQS)对其相互作用的影响.结果表明, AQS加入使针铁矿的微生物还原程度得到加强,在添加AQS的0.5mmol/L针铁矿体系中,厌氧培养38天后,被还原解离出的Fe(ΙΙ)浓度是未添加AQS的394%.针铁矿的归一化还原速率表明,当电子供体浓度一定时,随着针铁矿浓度增加,针铁矿的还原酶促反应显著减弱.米氏拟合方程表明,以不同浓度的针铁矿为底物时, S12菌-针铁矿相互作用过程的拟合相关系数R2分别为0.843(添加AQS)和0.998(未添加AQS),电子转移载体的存在以及底物类型的不同均对Vmax和Km值均有一定程度的影响.在微生物在还原针铁矿过程中,其还原速率越大,用于ATP合成所需能量 值也随之升高,S12菌和针铁矿的还原反应达到平衡时, Gibbs自由能变化(DGr)达最大值.     

针铁矿的非生物还原解离特征及Slogistic模型拟合

以针铁矿为研究对象,分析了电子供体和针铁矿浓度以及氧化还原中介体AQS对针铁矿非生物还原解离作用的影响.结果表明,在没有氧化还原中介体的参与下,针铁矿的非生物还原作用十分微弱;AQS加入体系后,针铁矿的非生物还原程度在经历一定的反应时间后显著加剧,且还原过程中生成的解离态Fe(ΙΙ)含量随时间的变化趋势符合典型的Slogistic曲线特征.Slogistic拟合结果表明:一定电子供体浓度下,不同浓度针铁矿的非生物还原Slogistic模型拟合的校正R2在0.9887~0.9953之间.当针铁矿浓度维持为一恒定值时,电子供体浓度不足的情况下,针铁矿的非生物还原的Slogistic 曲线特征较弱;当电子供体浓度充足的条件下,Slogistic模型拟合的校正R2系数可高达0.9967.电子供体和针铁矿浓度以及氧化还原中介体AQS的参与对Slogistic模型拟合参数均有一定的影响.     

蒽醌类有机质对针铁矿异化还原解离特征影响

基于希瓦氏金属还原菌(Shewanella decolorationis S12)和针铁矿相互作用,讨论了蒽醌类有机质(AQS)对该针铁矿异化还原过程的调控机制.结果表明:AQS作为电子运移载体,使得还原解离态铁总量(Fetot)和可溶态铁含量(Fedis)均快速增加;不同含量的AQS加入前后,针铁矿还原平均速率得到显著上升,速率比在2.4~4.0之间,且该比值和AQS含量呈显著的线性关系,可决系数为0.9947.Fedis/Fetot比值随AQS含量升高而降低,当AQS含量由0.05 mmol·L-1增加至0.3 mmol·L-1时,Fedis/Fetot比值由0.935减小至0.705.Feads含量随AQS含量增加而增加,当体系中无AQS时,Feads含量维持在较低的水平(0.05 mmol·L-1).AQS参与下的铁异化还原过程实际上是由两个独立的子过程组成,即微生物呼吸作用驱动了AQS和还原态蒽二酚(AH2QS)的循环转变过程以及AH2QS进一步还原解离针铁矿的非生物过程.     

成团泛菌MFC-3的分离鉴定及其腐殖质/Fe(Ⅲ)呼吸特性研究

从地下古森林沉积物样品中富集分离到1株腐殖质/Fe(Ⅲ)还原菌MFC-3菌株,经16S rDNA基因序列分析,该菌与成团泛菌Pantoea agglomerans WAB1951的相似性为99%,确定为成团泛菌.通过序批式厌氧实验考察了MFC-3的腐殖质呼吸活性、电子利用情况以及对4种铁氧化物的还原活性.结果表明,MFC-3能够以AQDS为唯一电子受体进行厌氧胞外呼吸,可利用的电子供体有:甲酸、乳酸、丙三醇、柠檬酸、葡萄糖和蔗糖,且AQDS还原速率顺序为:蔗糖葡萄糖柠檬酸乳酸丙三醇甲酸;以葡萄糖作为电子供体时,48 h内0.3 mmol.L-1的AQDS被还原,同时4.5 mmol.L-1葡萄糖被消耗,菌数增殖近7倍,证明MFC-3能够进行腐殖质呼吸;MFC-3还能以多种Fe(Ⅲ)氧化物为电子受体进行厌氧呼吸,25 d内分别有2.5 mmol.L-1水铁矿、2.1 mmol.L-1纤铁矿、2.3 mmol.L-1针铁矿及0.8 mmol.L-1赤铁矿被还原溶解.本研究为胞外呼吸研究与应用提供1株适宜的模式菌株.     

溶解有机质对微生物异化还原铁过程中砷含量及其形态赋存规律的影响

基于典型的希瓦氏金属还原菌(Shewanella decolorationis S12)和石英砂负载铁砷(As-IOCS)的相互作用,探讨了不同来源及组分溶解有机质和生物/非生物条件下对上述作用过程的影响.结果表明,不同类型及组分溶解有机质(DOM)均能使石英砂上负载的铁砷微生物还原解离/解吸程度得到一定程度的加强.而非生物反应体系中,只有含氧化还原敏感官能团结构的蒽醌类物质(0.1 mmol·L-1AQS)对铁砷的解离/解吸作用产生明显影响.在0.1 mmol·L-AQS和有机络合物(2 mmol·L-1 EDTA)的影响下,使得石英砂上负载铁的微生物异化还原程度加强,导致As(Ⅴ)从石英砂负载铁上的解吸程度也随之得到加强;在未加菌体系中,AQS和EDTA和不同组分的DOM类似,对As(Ⅴ)从IOCS上解吸程度影响微弱.对于As(Ⅲ)来说,只有在AQS的影响下,其含量得到显著增加,这可能是作为氧化还原中介体的AQS,在厌氧的生物/非生物条件下,能促进电子在As不同形态之间的转移,使得高价态As(Ⅴ)向还原态As(Ⅲ)的还原转变更易进行.当S12菌液接种含量增加时,在污泥不同组分DOM的影响下,As(Ⅴ)的解吸程度在反应300h前得到明显加强,而As(Ⅲ)的含量在整个反应期间,均快速上升,表明菌液含量高的体系,微生物铁异化还原过程得以持续进行,同时也促进了As(Ⅴ)向As(Ⅲ)的还原转变.     

奥奈达希瓦氏菌MR-1还原U(VI)的特性及影响因素

探讨了在腐殖质模式物蒽醌?2?磺酸钠(AQS)存在条件下,奥奈达希瓦氏菌MR-1的还原U(VI)特性.结果表明,在厌氧环境下奥奈达希瓦氏菌以AQS为电子穿梭载体,利用电子供体高效还原U(VI).当菌体投加量为1.2×109 个时,其还原铀的效率达95.09%; AQS的浓度低于0.5mmol/L时有利于MR-1菌厌氧还原U(VI),AQS浓度的升高U(VI)的还原明显受到抑制.当U(VI)初始浓度为30.0mg/L时,分别以甲酸盐、乙酸盐和乳酸盐为电子供体,经过7d后其还原率分别达到95.37%、92.41%和95.65%.金属离子(Cu2+、Mn2+、Ca2+)、有毒有机物等对U(VI)还原产生影响.当Ca2+的浓度为2.0mmol/L时,对U(VI)的还原有微弱的促进作用,而当Cu2+和Mn2+浓度为2.0mmol/L时,则存在较强的抑制作用.奥奈达希瓦氏菌也能利用环境中甲苯、三氯乙酸、顺丁烯二酸等有毒物质高效还原U(VI),同时使有毒物质得到降解.扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDS)分析结果表明,奥奈达希瓦氏菌菌体中沉积了铀元素.     

蒽醌类有机质介导水铁矿电化学还原的动力学

以水铁矿为实验对象，采用计时电流法研究了"电极-AQS-水铁矿"反应体系中蒽醌介导下的电化学还原动力学过程，阐明了"电极-AQS-水铁矿"三者之间相互作用的动力学特征与机制.结果表明：在超声波的协助下，同市售玻碳电极相比，发生在碳毡电极表面的电化学还原反应的灵敏性得到显著提升，且当体系施加电压为-0.7V时，AQS可以被完全还原.在最佳工作电极和实验条件下，AQS可以作为氧化还原中介体参与水铁矿的电化学还原过程.当AQS浓度从0.005mmol/L升至0.035mmol/L时，单位绝对量水铁矿的还原率从10.4%增至35%.AQS介导水铁矿电化学还原过程中的中间产物AQS_oxi浓度随时间的变化趋势符合由连串反应动力学推导出的函数模型曲线特征：随着时间t的增加，C_AQSoxi在初始某一范围内迅速增长；当时间到达某限度后，C_AQSoxi又出现了不同程度的快速下降，模型拟合的校正决定系数高达0.9990.     

零价铁对脱色希瓦氏菌S12偶氮还原的促进作用

以脱色希瓦氏菌(Shewanella decolorationis)S12为实验菌株,研究了零价铁(ZVI)存在条件下微生物的厌氧偶氮还原特性及其最佳反应条件.结果表明,ZVI可显著促进菌株S12的厌氧偶氮还原速率.培养30 h后含有20 mmol.L-1微米级ZVI和S12菌的培养体系中,菌株S12对1 mmol.L-1苋菜红的脱色率达100%,比不含ZVI的S12菌培养体系和只含ZVI的体系的偶氮还原率分别提高了23.16%和94.66%;在额外含20 mmol.L-1甲酸钠的培养体系中,ZVI的存在也使S12菌对苋菜红的脱色率提高了20.54%.此外,ZVI的存在可显著提高培养体系对偶氮染料的耐受能力.在投加ZVI和菌株S12培养体系中,连续批量投加浓度为1 mmol.L-1的苋菜红可在276 h内实现11次有效脱色,而不含ZVI的S12菌培养体系中只能实现3次有效脱色.进一步的研究发现,ZVI与菌株S12协同培养体系的最适反应pH为9.0,最适ZVI投加量为60 mmol.L-1.与毫米级和纳米级ZVI颗粒相比,微米级ZVI颗粒具有更强的促进作用.本研究结果将为利用ZVI协同促进偶氮染料的生物治理效果提供科学参数.     

微生物异化还原针铁矿过程中4-硝基苯乙酮降解动力学特征及机理初探

以硝基类有机污染物为研究对象,探讨了在多相界面(矿物相/生物相)反应体系及纯生物相反应体系中4-硝基苯乙酮微生物还原动力学特征,同时对"针铁矿-微生物-4-硝基苯乙酮"相互作用机制进行了初步阐明.结果表明,2-磺酸钠蒽醌(AQS)对4-硝基苯乙酮微生物还原降解速率有显著的促进作用;不同反应体系中还原降解产物4-氨基苯乙酮含量(μmol·L-1)的对数值和反应时间(h)之间均呈典型的动力学一级增长模式(ExpGro1 Mode),ExpGro1模型拟合的校正R2系数(R2adj)在0.9699～0.9894之间.针铁矿介导下的多相界面反应体系中,4-硝基苯乙酮微生物还原过程可分为耦合的两个子过程,即针铁矿的微生物还原解离过程和吸附态Fe(Ⅱ)调控下的非生物还原过程.不同浓度的AQS以及反应体系中针铁矿的介入,导致4-硝基苯乙酮微生物还原反应所需"活化时间"存在一定程度的差异.研究进一步证实,针铁矿还原解离过程生成的吸附态活性Fe("Ι)在4-硝基苯乙酮微生物还原过程中起到了至关重要的作用.     

不同形态铁对脱色希瓦氏菌S12偶氮还原的影响

以脱色希瓦氏菌(Shewanella decolorationis)S12为材料,研究了不同形态铁对其厌氧偶氮还原的影响.结果表明,Fe(Ⅲ)对偶氮还原的影响与其形态及浓度直接相关.不可溶性Fe(Ⅲ)对偶氮还原表现延缓作用,0.05～2 mmol/L的Fe2O3均延缓0.2mmol/L的苋菜红还原,但作用效果不随Fe2O3浓度的增加而成比例强化.而对于可溶性Fe(Ⅲ),0.4 mmol/L浓度以下对0.2mmol/L的苋菜红还原具有一定的促进作用,作用效果与其浓度变化不呈线性关系.1 mmol/L浓度以上则表现为抑制作用,浓度越高其抑制作用越强,这种现象在电子供体不足的情况下尤为明显.进一步研究发现,可溶性Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)均具有缓解双香豆素对醌循环的抑制作用而促进偶氮还原.由此推测,可溶性铁对偶氮还原的促进作用是由于这些化合物的细胞透过性,在低浓度条件下形成Fe(Ⅱ)Fe(Ⅲ)氧化还原循环,充当电子传递的中间媒介,通过发挥电子穿梭功能从而促进细菌的偶氮还原.而高浓度条件下可溶性Fe(Ⅲ)优先大量接受来自电子供体的电子而与偶氮化合物竞争,其电子穿梭功能被掩盖,从而抑制偶氮还原.对于不可透过细胞的不可溶性Fe(Ⅲ),只是作为胞外电子受体与强极性的偶氮化合物竞争电子从而仅仅呈现延缓作用.通过对铁的形态及浓度的适当选择与控制可以获得更高效的偶氮还原效率.     

蒽醌-2-磺酸盐强化电辅助微生物体系对偶氮染料的脱色效果

为了提高微生物对偶氮染料的降解效率,将电辅助引入微生物还原降解过程,对比研究了EAMS（电辅助微生物体系）、ECS（电化学体系）和MS（微生物体系）对偶氮染料活性艳红X-3B的降解效果,并考察了不同摩尔浓度的AQS（蒽醌-2-磺酸盐）对电微生物体系降解染料的强化作用.结果表明:反应24 h时,EAMS对活性艳红X-3B的去除率达到99.8%,比MS（去除率为61.9%）和ECS（去除率为27.1%）二者之和还要大10.8%;EAMS对活性艳红X-3B的降解过程符合一级反应动力学特征.当c（AQS）为0.050 mmol/L时,降解最快,一级动力学常数为1.962 h-1,是未添加AQS（0.2644 h-1）的7.42倍.加入AQS后,体系中电流升高,说明AQS加快了降解过程中电子传递速率.研究显示,AQS的加入实现了电极-远离电极的微生物-染料之间多相反应界面远程电子传递过程,使整个体系的微生物都可以快速发挥作用,达到强化降解偶氮染料.      

Fe(Ⅲ)-EDTA作为阴极电子穿梭体的微生物燃料电池持续产电机制

阴极氧还原反应（ORR）是影响微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）性能的重要因素.采用双室MFC以Fe(Ⅲ)-EDTA为阴极液进行持续产电试验.结果表明,添加Fe(Ⅲ)-EDTA作为阴极液可显著加速氧还原反应速率,降低内阻,提高输出电压与功率.当阴极液中存在20.0 mmol/L的Fe(Ⅲ)-EDTA时,电池内阻仅为300　Ω,比对照降低了900　Ω,其输出电压（1 000　Ω下）与功率密度可维持在200.1 mV、 16.0 mW/m²左右,比不加的对照分别提高73.2%、 70.1%. Fe(Ⅲ)-EDTA氧化再生与持续产电试验表明,Fe(Ⅲ)-EDTA可通过曝气氧化再生、循环利用,即Fe(Ⅲ)-EDTA可作为阴极电子穿梭体加速电子至氧气的传递.Fe(Ⅲ)-EDTA首先接受阴极电子被还原成Fe(Ⅱ)-EDTA,在阴极室充分曝气条件下,Fe(Ⅱ)-EDTA将电子传递给O₂同时被氧化再生成Fe(Ⅲ)-EDTA,从而完成电子从电极传递到氧气的穿梭过程,MFC得以长期稳定运行.进一步优化试验显示,Fe(Ⅲ)-EDTA作为阴极电子穿梭体强化MFC产电的适宜条件为：浓度20.0 mmol/L、pH=5.0左右.在此条件下MFC的最大功率密度达100.9 mW/m².     

γ-FeOOH-草酸系统中橙黄I的光化学脱色

以8 W黑光灯为光源,γ-FeOOH为催化剂,加入草酸构成光化学Fenton体系,研究了这一体系中橙黄Ⅰ的光化学脱色动力学;考察了橙黄Ⅰ的初始浓度、初始pH值和草酸初始浓度对橙黄Ⅰ光化学脱色降解的影响.结果表明,草酸能显著促进橙黄Ⅰ的脱色与降解,橙黄Ⅰ光化学脱色一级动力学常数随草酸浓度的增大呈先升后降的趋势,最佳草酸初始浓度为1.8 mmol·L-1;溶液pH值的变化也显著影响橙黄Ⅰ的脱色.光化学反应过程中Fe2+和总Fe的浓度也随草酸浓度与反应时间的变化而变化.     

AQS对Shewanella oneidensis MR-1还原含Cd聚合硫酸铁絮体的影响

考察了一种典型的溶解性腐殖质蒽醌-2-磺酸钠(disodium anthraquinone-2-sulfonate,AQS)存在时,典型异化铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1在厌氧条件下还原含镉聚铁絮体的过程。结果表明:AQS的存在促进了含Cd絮体中Fe(Ⅲ)的还原,也促进了Cd~(2+)的释放。相比无AQS体系,存在AQS的体系中,Fe~(2+)和Cd~(2+)达到最高浓度的时间均有所缩短,最高浓度也更高;且低浓度AQS的促进效果明显高于高浓度AQS;AQS的存在没有改变二次矿物的种类,仍是针铁矿和磁铁矿,但降低了矿物的结晶度,且AQS浓度越高,改变越明显。存在AQS的体系中,菌体结合的Cd~(2+)更多,且镉的直接释放和间接释放风险均增大,低浓度AQS体系中镉的直接释放风险更大。     

Migration and transformation of Sb are affected by Mn(III/IV) associated with lepidocrocite originating from Fe(II) oxidation

Antimony (Sb) is a recognized priority pollutant with toxicity that is influenced by its migration and transformation processes. Oxidation of Fe(II) to Fe(III) oxides, which is a common phenomenon in the environment, is often accompanied by the formation of Mn(III/IV) and might affect the fate of Sb. In this study, incorporated Mn(III) and sorbed/precipitated Mn(III/IV) associated with lepidocrocite were prepared by adding Mn(II) during and after Fe(II) oxidation, respectively, and the effects of these Mn species on Sb fate were investigated. Our results indicated that the association of these Mn species with lepidocrocite obviously enhanced Sb(III) oxidation to Sb(V), while concomitantly inhibiting Sb sorption due to the lower sorption capacity of lepidocrocite for Sb(V) than Sb(III). Additionally, Mn oxide equivalents increased in the presence of Sb, indicating that Sb oxidation by Mn(III/IV) associated with lepidocrocite was a continuous recycling process in which Mn(II) released from Mn(III/IV) reduction by Sb(III) could be oxidized to Mn(III/IV) again. This recycling process was favorable for effective Sb(III) oxidation. Moreover, Sb(V) generated from Sb(III) oxidation by Mn(III/IV) enhanced Mn(II) sorption at the beginning of the process, and thus favored Mn(III/IV) formation, which could further promote Sb(III) oxidation to Sb(V). Overall, this study elucidated the effects of Mn(III/IV) associated with lepidocrocite arisen from Fe(II) oxidation on Sb migration and transformation and revealed the underlying reaction mechanisms, contributing to a better understanding of the geochemical dynamics of Sb.