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异化铁还原对重金属形态转化及其产氢过程研究

覃海华  
【摘要】:微生物异化铁还原是微生物的一种无氧呼吸代谢过程。自然界中,只要有厌氧环境几乎都会发生异化铁还原现象,并发现有异化铁还原微生物的存在。海洋沉积物因其独特的厌氧环境而成为异化铁还原菌的主要生境。因此,本实验采用渤海沉积物为材料,富集异化铁还原微生物。分析微生物异化Fe(Ⅲ)还原性质,以及菌株异化Fe(Ⅲ)还原对重金属形态转化及其产氢过程的影响。本论文主要研究结果有以下几方面:(1)将渤海(天津海域)沉积物进行厌氧培养,富集异化铁还原混合菌群。在不同电子受体下,比较分析铁还原菌群异化Fe(Ⅲ)还原性质。结果表明,以柠檬酸铁和氢氧化铁为电子受体培养体系,在培养12 h时,累积Fe(Ⅱ)浓度分别为100.67 ± 0.75 mg.L-1 和 53.24±3.63mg.L-1;当培养 60h 时,累积 Fe(Ⅱ)浓度分别达到 118.95±1.47 mg.L-1和119.74 ± 3.96 mg·L-1。这表明可溶性与不可溶性电子受体能够显著影响细菌异化铁还原过程,而对累积Fe(Ⅲ)还原量影响不明显。(2)菌群多样性分析表明,以柠檬酸铁和氢氧化铁作为电子受体时,菌群多样性Shannon指数分别是3.40和3.11,较对照组(Shannon指数2.07)高,表明培养体系中加入Fe(Ⅲ)能显著提高铁还原混合菌群多样性。菌群结构分析表明,在不同电子受体下的培养体系中,优势菌主要是Clostridium和Romboutsia,均属于梭菌目Clostridiales。表明梭菌是参与Fe(Ⅲ)还原的主要优势菌。(3)采用三层平板法从渤海沉积物中分离纯化出一株铁还原细菌ZQ21,经鉴定,菌株命名为Enterococcussp.ZQ21(GenBank号MF192756)。设置不同电子供体、电子受体和电子传递体,分析其对菌株ZQ21异化Fe(Ⅲ)还原性质的影响。结果表明,在以乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸钠、葡萄糖、丙酮酸钠、乙酸钠和甲酸钠为电子供体时,菌株ZQ21以柠檬酸铁为电子受体时,利用丙酮酸钠异化Fe(Ⅲ)还原效率最高,Fe(Ⅱ)浓度达到113.14±3.46 mg.L-1。菌株ZQ21以氢氧化铁为电子受体时,利用葡萄糖异化Fe(Ⅲ)还原效率最高,累积Fe(Ⅱ)浓度达到91.38 ± 2.41 mg·L-1。在电子传递体(AQS)影响下,菌株ZQ21利用氢氧化铁作为电子受体的Fe(Ⅲ)还原效率较对照组有了显著提高,累积Fe(Ⅱ)浓度较对照组提高了 47%。(4)研究菌株ZQ21的异化Fe(Ⅲ)还原作用对重金属Cr(Ⅵ)还原的影响。设置Cr(Ⅵ)浓度梯度为0、5、10、15、20、25、30mg·L-1。结果表明,菌株ZQ21在低浓度Cr(Ⅵ)(0~10mg·L-1)环境中生长良好。当Cr(Ⅵ)浓度为10mg·L-1时,菌株ZQ21细胞密度A600为0.16±0.004,Cr(Ⅵ)还原率为18%。设置Fe(Ⅲ)浓度梯度为0、200、400、600、800、1000mg·L-1,培养体系中添加不同浓度Fe(Ⅲ)后,菌株ZQ21的生长得到了明显提高较对照组。当Fe(Ⅲ)浓度为800mg·L-1时,菌株ZQ21的Cr(Ⅵ)还原率达到83%,是对照组的4倍。(5)菌株ZQ21分别以柠檬酸铁和氢氧化铁为电子受体进行厌氧发酵时,累积Fe(Ⅱ)浓度分别是119.80 ± 0.77 mg·L-1和30.61 ±0.89 mg.L-L。相应的累积产氢量分别为1395.30 ± 4.79 mL·L-1和174.30 ± 3.23 mL·L-1,分别是对照组60倍和8倍。相应的代谢产氢途径分别是乙醇型发酵和丁酸型发酵。表明异化Fe(Ⅲ)还原菌株ZQ21异化Fe(Ⅲ)还原与产氢过程存在相互偶联。


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