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水稻土中铁还原微生物的碳源利用特征

易维洁  
【摘要】: 自然界进行的铁氧化还原过程对物质的地球化学循环具有深远的意义。发生在各种厌氧环境(如沉积物、地球深处的含水层以及淹水水稻土)中的Fe(III)氧化物还原是十分重要的地球生物化学过程,即地球化学中的Fe(III)—Fe(II)循环过程在很大程度上受微生物转化及酶促反应控制。在厌氧条件下,伴随微生物铁还原过程的进行不仅可以使高价金属元素还原,而且可改变其金属元素在环境中的移动性、毒性及放射性,同时又可氧化降解有机物,促进环境中的有机碳代谢。异化金属还原过程己逐渐应用于生物冶金(如锰、钴、镍、铀、金的生物浸取)、重金属离子(如铬、钒、钴、镍、铀、铜、汞等)污染的生物治理以及持久性有机物污水的生物降解。利用异化Fe(III)还原微生物还可发展生物电池生产清洁能源,即异化Fe(III)还原微生物利用乙酸盐等有机代谢物作为电子供体,将电子传递给石墨阳极,并产生持续稳定的电流。因此,异化Fe(III)还原过程不仅具有重要的地球化学意义,而且已显示出突出的环境学领域应用前景。 本文选择我国典型的水稻土为供试材料,采用微生物接种厌氧恒温培养及微生物纯培养的研究方法,初步探讨了厌氧微生物利用有机酸盐(甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐、丙酮酸盐、柠檬酸盐及琥珀酸盐)、葡萄糖、果糖、心肌糖、山梨醇糖、淀粉和纤维素作为惟一碳源时对微生物Fe(III)还原过程的影响,比较了不同浓度碳源及不同温度对Fe(II)还原过程影响的差异,分析了铁还原条件下pH及体系残留还原糖浓度的变化规律。通过混合培养和纯培养实验,对利用同一碳源的Fe(II)还原程度进行了比较,探讨了来源于不同水稻土的铁还原微生物对不同碳源的利用潜力。研究得出以下主要结论: (1)不同水稻土中的微生物群落在利用不同碳源进行Fe(OH)_3还原时,Fe(II)累积量变化存在着较大差异。来源于四川水稻土的微生物群落在Fe(OH)_3还原过程中对所有供试碳源物质均表现出较高的利用活性,其对应的Fe(II)最终累积量较高;江西水稻土微生物群落利用有机酸、天津水稻土微生物群落利用单糖和广西水稻土微生物群落利用纤维素的铁还原反应速率常数显著低于其他水稻土来源的微生物群落,其碳源利用的反应活性较低。不同微生物群落在Fe(OH)_3还原过程中对不同碳源利用程度的不同,反映出其微生物群落组成、代谢和功能上存在差异。 (2)混合培养模式下,有机酸盐中的丙酮酸盐和单糖中的葡萄糖、果糖能迅速地被不同水稻土来源的微生物群落利用,说明Fe(III)还原微生物在碳源利用上的共性。整个培养过程中利用山梨醇糖的Fe(II)累积量很低,表明山梨醇糖不是Fe(III)还原微生物的优势碳源。高浓度的山梨醇糖和心肌糖对四川和吉林水稻土微生物群落的铁还原过程都有一定程度的抑制,导致Fe(II)累积量和反应速率降低。不同来源微生物群落利用淀粉的铁还原程度与淀粉浓度的大小成正比,Fe(II)的最终累积量表现为15 g/L处理10 g/L处理5 g/L处理。 (3)培养温度对利用纤维素的Fe(OH)_3还原过程有显著的影响。在天津水稻土微生物群落的铁还原过程中发现,50℃培养时铁还原反应速率显著低于30℃下培养。后者利用不同浓度纤维素在培养结束时的Fe(II)累积量大小顺序为10 g/L20 g/L5 g/L,其最大Fe(II)累积量为595.6 g/L,基本接近于添加的Fe(OH)_3的浓度。同时也表明C/N可能是影响利用纤维素进行铁还原的重要因素。 (4)纯培养条件下,从四川水稻土微生物群落中分离得到的铁还原菌株813,818和819均能较好地利用葡萄糖、果糖和淀粉来还原Fe(OH)_3,且Fe(II)最终累积量为果糖处理葡萄糖处理淀粉处理;3菌株均不能直接利用纤维素和心肌糖。铁还原微生物利用葡萄糖和果糖时的还原总糖在培养期间显著减少,在淀粉处理中表现为还原性总糖先升后降,而对心肌糖和纤维素处理在培养过程中几乎不产生还原糖,表明还原性总糖在铁还原过程中具有重要作用。 (5)混合培养模式下,随着培养时间的延长,利用小分子单糖和大分子淀粉、纤维素的Fe(OH)_3还原过程中,pH逐渐下降,从开始的pH6.8~7.5逐渐降低到pH3.5~4.5。纯培养条件下,3个菌株利用葡萄糖,果糖和淀粉的pH也在反应初期就迅速下降,与混合培养过程有相同的变化趋势。由于这3株铁还原菌均不能直接利用纤维素和心肌糖,故其对应pH在培养周期内几乎没有变化,维持在6.5左右。 (6)在土壤微生物提取和分离过程中,采用2 mmol/L的焦磷酸钠溶液浸提水稻土可得到较大的细菌单克隆数(CFU),其数值显著大于高浓度的焦磷酸钠溶液以及0.9 %的NaCl溶液处理。但考虑到焦磷酸钠对细菌细胞代谢可能的负面影响,在提取和筛选水稻土中的铁还原菌工作时仍然使用蒸馏水比较适宜。 (7)因为地域气候、母质以及有机质的差异导致不同来源水稻土中的CFU在相同的浸提培养方法下差异很大。本试验中,湖南水稻土分离得到的CFU最多,菌数数量级能达到107;浙江、四川、天津和吉林水稻土处理间差异不明显,菌落数为7.03×10~5~4.28×10~6;广东和广西水稻土中的CFU相对较低,菌数数量级只有10~5。


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