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钒对水稻土中微生物Fe(Ⅲ)还原过程的影响

黄婉玉  
【摘要】:微生物的Fe(III)还原过程在自然界中普遍存在,尤其是在厌氧地下环境中,是微生物的重要的呼吸形式之一。作为一种复杂的代谢形式,水稻土中的微生物Fe(III)还原容易受到其周围环境中不同的电子供体及电子受体的影响。土壤中存在的许多重金属离子如铬(VI)、金(III)、汞(III)、钒(V)等均可以成为微生物Fe(III)还原体系的电子竞争物质,改变在微生物代谢过程中产生的电子流流向。V(V)作为近年来越来越受到重视的一种土壤污染重金属,对于农作物安全和人体健康都有很大的影响。微生物Fe(III)还原过程能够通过影响电子流向促使变价重金属钒发生氧化还原反应,使其被还原为低化合价态的形式,从而降低它的毒性和生物活性。因此,深入研究水稻土厌氧体系中共存的微生物Fe(III)还原和V(V)还原过程,确定两个过程之间的电子流竞争关系,进而探讨自然环境中微生物V(V)污染治理的机理,对于进行污染土壤的防治与修复具有重要的理论意义和实际价值。但是由于目前对土壤钒污染的认识还处于起步阶段,国内外鲜有关于其的治理方面的研究,尤其是利用微生物进行修复的方法,更是未有太多报道。本试验以微生物V(V)还原为重点,拟利用操作方法和机理均较为成熟的Fe(III)还原培养体系,探究在厌氧恒温条件下微生物V(V)还原与Fe(III)还原过程的相互作用关系和电子流向,为今后土壤钒污染治理和修复奠定理论基础。 本试验选取几种来源不同地区的典型水稻土作为供试材料,并分别通过厌氧泥浆培养、土壤浸提液微生物群落混合培养和典型的铁还原优势菌纯培养三种试验体系,通过向体系中添加外源氧化铁,葡萄糖和不同浓度的V(V)溶液,探讨微生物Fe(III)还原过程与V(V)还原之间的相互影响,同时验证外加碳源对微生物V(V)还原能力的影响。为了解两种电子受体之间的电子流竞争关系,揭示污染土壤中V(V)微生物降解的可能机理奠定必要的理论基础。本试验得到的主要结论有: (1)在土壤泥浆厌氧培养体系中,添加碳源能有效地促进微生物的铁还原和钒还原过程。加入葡萄糖能使体系中微生物活性增强,使其能够更好地利用外界的高价金属离子作为电子受体氧化体内基质,促进金属离子的还原反应的进行。外源氧化铁及葡萄糖的加入在促进微生物异化铁还原过程进行的同时,也为V(V)的还原提供了条件。 (2)在土壤泥浆厌氧培养体系中,添加V(V)能够促进水稻土中的微生物Fe(III)还原,使该过程的铁还原速率加快,反应达到稳定的耗时缩短,但是V(V)并不会影响微生物对于Fe(III)的最终还原量。V(V)还原量的大小与土壤中异化铁还原体系的建立有密切关系。 (3)在土壤泥浆厌氧培养体系中,厌氧水稻土中Fe(III)和V(V)还原可能存在的机制为:微生物优先利用V(V)作为电子受体,将V(V)转化为低价态的钒,生成的低价钒可进一步作为还原剂促进Fe(III)还原反应进行,并重新被转化为V(V)。土壤中可还原的Fe(III)量控制着钒的化学形态。 (4)微生物能够直接利用V(V)作为电子受体,将其还原为低价态的钒。来源于不同地区的水稻土中,微生物群落的种类和结构有很大的不同,其对于V(V)的还原能力也将产生差异。其中,安康和汉中水稻土具有较高的V(V)还原优势,无论是在最大还原速率还是在最大还原速率对应的时间上,都能达到较高的水平,四种土壤的微生物V(V)还原能力的顺序为:安康汉中吉林四川。V(V)的初始浓度并不影响体系内微生物V(V)还原能力的降低。 (5)在混合培养体系中,在氧化铁与偏钒酸盐共同存在时,微生物Fe(III)还原过程较之V(V)的还原更有优势,表现为铁还原先于V(V)还原过程。产生氧化铁先于V(V)还原的原因可能与培养体系中使用的氧化铁类型有关。人为合成的Fe(OH)3具有比表面大、易于被铁还原菌还原的特点,对加入的偏钒酸盐具有强烈的吸附能力,会在一定程度上影响钒的还原。 (6)在3种不同的培养体系中发现,厌氧泥浆培养中的V(V)并不能够被完全还原;在混合培养体系中,排除了土壤中的各种物质和土壤颗粒本身的干扰,微生物群落能更有效的将V(V)还原,还原率接近100%;微生物纯培养体系中的V(V)还原效果居于前两者之间,也不能完全去除体系中的V(V),表明复合型的微生物群落比单菌落具有更高的耐受性和还原效率。


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