[目的]从黄河三角洲滨海湿地土壤中获得同时具备产氢、产电以及异化铁还原能力的多功能菌株.[方法]通过厌氧分离技术从黄河三角洲土壤中分离得到纯菌株,16S rRNA基因测序后与数据库已有序列进行比对.利用革兰氏染色及扫描电镜观察菌株形态,并用气相色谱(gas chromatography,GC)和液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)检测其生理代谢底物和产物.通过添加不同形态铁氧化物检测该菌株Fe(Ⅲ)的还原能力.构建微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)检测该菌株的电化学活性.[结果]16S rRNA基因序列比对发现其与双酶梭菌Clostridium bifermentans的相似性达97.99％.革兰氏染色结果显示为阳性菌.能够利用葡萄糖为底物发酵产生氢气、二氧化碳、乙酸和丁酸.Fe(Ⅲ)还原能力检测发现,其不仅可以还原柠檬酸铁(FeC6H5O7)中可溶性的Fe(Ⅲ),还可以还原无定形铁水铁矿(FeOOH)和晶型纳米磁铁矿(Fe3O4)中的Fe(Ⅲ).此外,经MFCs检测发现,该菌具有电化学活性,最大电流输出密度可达6.5 mA/m2,且在0.15 Ⅴ位置存在氧化峰.[结论]本研究从土壤中成功分离得到了一株同时具有产氢、产电以及异化铁还原能力的多功能梭菌菌株,保藏并命名为Clostridium bifermentans EZ-1.

土壤重金属具有残留时间长、毒性大、难迁移等特点,其形态转化又是影响重金属毒性和迁移的关键因子.同时,不同形态土壤重金属通过迁移进入到作物、水、大气循环中,对人类的健康构成极大威胁.厌氧条件下,土壤中丰富的铁含量和微生物异化铁还原过程为自然环境中不同晶型次生铁矿的形成提供了有利条件.微生物诱导生成的次生铁矿物有独特的形态和特征,如纳米颗粒、高表面积和高反应活性,这些矿物特征对土壤重金属形态转化起到重要作用.本文重点介绍在异化铁还原微生物驱动下次生铁矿形成过程对土壤重金属形态转化的影响效应及机制.次生铁矿物形成过程直接影响土壤中微量金属污染物的迁移转化及归宿,因此在重金属污染场地修复等方面具有很重要的应用前景.

将渤海沉积物进行厌氧培养,富集异化Fe (Ⅲ)还原混合菌群.在不同电子受体下,分析铁还原菌群异化还原Fe (Ⅲ)性质.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)和(53.24±3.63) mg·L-1;当培养60h时,累积Fe(Ⅱ)浓度达到(118.95±1.47)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Fe (Ⅲ)还原过程,而对累积Fe (Ⅲ)还原量影响不明显.通过高通量测序技术,分析不同电子受体下的异化Fe (Ⅲ)还原混合菌群多样性与优势菌组成.菌群多样性分析表明,以柠檬酸铁和氢氧化铁为电子受体时,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.异化Fe(Ⅲ)还原混合菌群在不同电子受体下优势菌主要是Clostridium_sensu_stricto和Romboutsia,属于梭菌目Clostridiales,这表明梭菌是参与Fe (Ⅲ)还原的优势菌.

生物异化还原作用是地球化学循环中的重要部分,其对环境污染物具有良好的治理作用.从湖南省石门县的土壤中分离出1株厌氧砷还原菌,通过16S rRNA分析为毛球菌属,命名为Trichococcus sp.C328.菌落圆形,无色透明,短杆状革兰阴性菌,最适生长条件为pH 9,NaCl浓度12-16 g/L.当As (Ⅴ)的初始浓度为63mg/L时,24h时细胞数目最多(18×108个/mL),48h时砷还原率为83％;当Fe (Ⅲ)的初始浓度为30 mg/L,72 h时还原率为37％.本研究是首次发现具有砷和铁还原能力的毛球菌,为土壤中砷的生物转化提供参考.

[目的]本文从胜利油田沾3区块的高温油藏的原油采出液中分离得到一株嗜热菌,通过其与膨润土的相互作用,尝试探讨油藏微生物作为油藏储层中水敏性矿物(如蒙皂石)改性剂的可能性.[意义]研究结果将在降低水敏矿物的膨胀性能,为解决水驱采油中遇到的水敏效应的瓶颈问题提供微生物的新途径.[结果]所得菌株为革兰氏阳性菌,呈杆状,具芽孢,兼性厌氧,鉴定为Geobacillus icigianus SL-1.菌株SL-1在厌氧条件下能够还原蒙皂石的结构铁.扫描电镜(SEM)结果显示,无菌对照体系中,蒙皂石呈不规则薄片状.而经微生物作用后,除薄片状蒙皂石外,另有板状次生矿物的生成.进一步能谱(EDS)分析表明,与薄片状蒙皂石相比,板状矿物含有较高的A1/Si比值,且含有明显的K+信号.XRD结果显示,经过微生物作用后,固相物质中蒙皂石的百分比下降至47.7％,伊利石百分比上升至29.1％,而无菌对照组中蒙皂石的百分含量则为70.4％,伊利石的百分比则为19.8％.XRD物相分析和EDS结果均证实经过微生物作用后,部分蒙皂石转化成了伊利石.膨胀性能的分析进一步揭示菌株SL-1作用后,矿物膨胀性较初始矿物显著降低,缩膨率达到25.9％.以上结果为油藏储层防膨提供了重要的实验依据.

[目的]从深海热液区获取异化铁还原微生物(Dissimilatory iron reducing microorganisms,DIRM),分析其矿化速率和矿化产物,认识其参与的深海生物地球化学循环.[方法]以羟基氧化铁(FeOOH)为电子受体,以乙酸等简单有机物做电子供体,在60℃恒温厌氧条件下,对南大西洋中脊深海热液区硫化物样品中的DIRM进行富集、培养;采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)以及能谱仪(EDS)等方法对矿化产物进行形貌观察与成分分析.[结果]从2个硫化物样品中,共获得了139个铁还原培养物,它们均能将培养基中FeOOH (Fe3+ 90 mmol/L)转化为矿化产物.电镜下可见明显的晶体形态,以立方体形晶体为主,边长为5.0-20.0 nm;EDS分析表明,所有矿物晶体的主要元素为铁和氧,推测是由菱铁矿和磁铁矿组成的混合矿物.矿物晶体形成的时间差异较大,从3d到54 d不等,多数培养物可在11d到20 d内形成晶体.微生物多样性表明,培养物中优势菌主要为厚壁菌门(Firmicutes)和广古菌门(Euryarchaeota),包括一氧化碳胞菌(Carboxydocella)与脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)近似新物种(16S rRNA基因同源性89％-91％)和广古菌地丸菌(Geoglobus).[结论]热液区高温厌氧细菌与古菌可以利用简单有机物为电子供体进行铁还原,形成铁氧化物晶体.实验结果对于微生物参与铁元素的生物地球化学循环与矿物形成的潜力具有支持作用.然而它们是否参与了热液区铁元素的生物地球化学循环与矿物形成还需要大量研究工作验证.

[背景]发酵型异化金属还原菌通过发酵获取能量,同时也具有一定的异化还原变价金属氧化物的能力,关于变价金属氧化物对发酵型异化金属还原菌电子输出率的影响还知之甚少.[目的]探究铁锰氧化物(Fe2O3/MnO2)对发酵型异化金属还原菌Clostridium pasteurianum电子输出率的影响.[方法]将不同浓度Fe2O3/MnO2添加到以葡萄糖为底物并接种5％C.pasteurianum的发酵体系中,利用电化学工作站检测C.pasteurianum电化学特性;以菲啰嗪(Ferrozine)显色法和甲醛肟法分别测定发酵体系中Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)含量;气相色谱、高效液相色谱检测发酵底物葡萄糖及代谢产物(乙酸、丁酸、CO2和H2)随发酵时间的变化情况;最后计算发酵过程的电子输出率.[结果]研究表明,接种C.pasteurianum的微生物燃料电池可以检测到电流的产生,最大电流密度为0.93 mA/m2;随着发酵时间的推移,反应体系中Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的浓度逐渐增高;Fe2O3/MnO2的添加使发酵体系中葡萄糖消耗量提高了9.4％/7.7％,同时,乙酸产量提高了37.5％/25.0％,丁酸产量提高了22.7％/6.8％,氢气产量提高了21.6％/9.8％,而总的电子输出率则提高了24.27％/10.82％;添加铁锰氧化物的实验组pH值与对照组相比无显著差异.[结论]铁锰氧化物的添加可以提高C.pasteurianum的电子输出率,其原因可能是增加了葡萄糖消耗和缓冲pH值.研究结果为揭示变价金属氧化物影响发酵型异化金属还原菌电子输出的规律提供了证据,并进一步拓展了对变价金属氧化物与发酵型异化金属还原菌之间相互作用机制的认识.

[目的]探究以单环刺螠为代表的海洋环节动物肠道中电活性微生物的存在情况,并表征其生理学及电化学特性.[方法]采用平板划线法、16S rRNA基因测序技术分离纯化菌株并进行菌株鉴定.利用扫描电镜表征菌株形态.高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)检测其无氧呼吸底物氧化及产物生成情况.通过菲啰嗪和甲醛肟显色法检测菌株的异化Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)还原能力.借助单室微生物燃料电池(single-chamber microbial fuel cells,SCMFCs)及循环伏安法检测菌株的电化学活性.[结果]从单环刺蜢肠道中成功分离得到了一株兼性厌氧菌,16S rRNA基因序列比对结果显示该菌株与Shewanella marisflavi的相似性达99.93％.扫描电镜结果显示其为杆状,长约2 μm,宽度约为0.5岬.HPLC检测结果表明,该菌能以乳酸钠为电子供体,富马酸为电子受体进行无氧呼吸并伴随代谢产物乙酸钠和琥珀酸产生.菲啰嗪和甲醛肟显色法结果证实,该菌具有异化铁、锰还原能力.单室MFCs检测结果发现该菌的最大电流输出密度为146 mA/m2,循环伏安法检测结果显示该菌在0.14V和-0.51 V位置处分别存在氧化峰和还原峰.[结论]本研究结果证实以单环刺螠为代表的海洋环节动物肠道中存在以Shewanella marisflavi UU-3-2为代表的电活性微生物.表明电化学活性微生物在海洋环节动物肠道中广泛存在.

[背景]一些铁还原细菌具有异化铁还原与产氢的能力,该类细菌在环境污染修复的同时能够解决能源问题.[目的]从海洋沉积物中富集获得异化铁还原菌群,明确混合菌群组成、异化铁还原及产氢性质.获得海洋沉积物中异化铁还原混合菌群组成,分析菌群异化铁还原和产氢性质.[方法]利用高通量测序技术分析异化铁还原菌群的优势菌组成,在此基础上,分析异化铁还原混合菌群在不同电子供体培养条件下异化铁还原能力和产氢性质.[结果]高通量数据表明,在不溶性氢氧化铁为电子受体和葡萄糖为电子供体厌氧培养条件下,混合菌群的优势菌属主要是梭菌(Clostridium),属于发酵型异化铁还原细菌.混合菌群能够利用电子供体蔗糖、葡萄糖以及丙酮酸钠进行异化铁还原及发酵产氢.葡萄糖为电子供体时,菌群累积产生Fe(Ⅱ)浓度和产氢量最高,分别是59.34±6.73 mg/L和629.70-±11.42 mL/L.[结论]异化铁还原混合菌群同时具有异化铁还原和产氢能力,拓宽了发酵型异化铁还原细菌的种质资源,探索异化铁还原细菌在生物能源方面的应用.

[目的]在异化铁还原细菌培养体系中,通过外加电子穿梭体,分析电子穿梭体种类与浓度对细菌异化铁还原性质的影响.[方法]以一株发酵型异化铁还原细菌Clostridium butyricum LQ25为研究对象,设置水溶性介体蒽醌-2-磺酸钠和核黄素作为外加电子穿梭体.[结果]在氢氧化铁为电子受体、葡萄糖为电子供体培养条件下,不同浓度蒽醌-2-磺酸钠和核黄素对菌株LQ25异化铁还原效率影响具有显著性差异.外加蒽醌-2-磺酸钠浓度为0.5 mmol/L时,菌株累积产生Fe(Ⅱ)浓度最高,为12.95±0.08 mg/L,相比对照组提高88％.核黄素浓度为100 mg/L时,菌株累积产生Fe(Ⅱ)浓度是11.06±0.04 mg/L,相比对照组提高61％.外加电子穿梭体能够改变菌株LQ25发酵产物中丁酸和乙酸浓度,提高乙酸相对含量.[结论]蒽醌-2-磺酸钠和核黄素作为外加电子穿梭体能显著促进细菌异化铁还原效率,为揭示发酵型异化铁还原细菌胞外电子传递机制提供实验支持.