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.

[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]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.

铁还原菌是一种典型的异化金属还原菌,广泛分布于海洋沉积物、陆地深地层等自然环境,该类细菌可以将铁氧化物中的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),在铁、碳的生物地球化学铁循环中发挥重要作用.铁还原菌的末端电子不局限于Fe(Ⅲ),还可以是其他高价金属、有机污染物,可用于土壤、地下水的污染修复和毒性削减.在微生物电化学系统中,铁还原菌氧化有机物产生的电子直接传递给电极,可以产生电能.基于这种独特的胞外电子传递方式,衍生出了微生物燃料电池、微生物电解池、微生物脱盐电池、微生物燃料电池耦合芬顿反应以及光催化微生物燃料电池,常用于微生物发电、生物传感器、生物制氢、定向发酵、海水淡化、生物脱盐和污染物分解矿化.本文从异化铁还原菌的代谢机制、微生态作用、环境修复、水资源再生与能源转化四个方面,综述了铁还原菌的作用原理及国内外研究现状,分析论述了目前亟需解决的关键问题和未来的研究方向,以期为铁还原菌的基础理论研究和应用技术研发提供参考.

[背景]异化铁还原细菌能够在还原Fe(Ⅲ)的同时将毒性较大的Cr(Ⅵ)还原成毒性较小的Cr(Ⅲ),解决铬污染的问题.[目的]基于丁酸梭菌(Clostridium butyricum)LQ25异化铁还原过程制备生物磁铁矿,开展异化铁还原细菌还原Cr(Ⅵ)的特性研究.[方法]构建以氢氧化铁为电子受体和葡萄糖为电子供体的异化铁培养体系.菌株LQ25培养结束时制备生物磁铁矿.设置不同初始Cr(Ⅵ)浓度(5、10、15、25和30mg/L),分别测定菌株LQ25对Cr(Ⅵ)还原效率以及生物磁铁矿对Cr(Ⅵ)的还原效率.[结果]菌株LQ25在设置的Cr(Ⅵ)浓度范围内都能良好生长.当Cr(Ⅵ)浓度为15 mg/L时,在异化铁培养条件下,菌株LQ25对Cr(Ⅵ)的还原率为63.45％±5.13％,生物磁铁矿对Cr(Ⅵ)的还原率为87.73％±9.12％,相比菌株还原Cr(Ⅵ)的效率提高38％.pH变化能影响生物磁铁矿对Cr(Ⅵ)的还原率,当pH 2.0时,生物磁铁矿对Cr(Ⅵ)的还原率最高,几乎达到100％.电子显微镜观察发现生物磁铁矿表面有许多孔隙,X-射线衍射图谱显示生物磁铁矿中Fe(Ⅱ)的存在形式是Fe(OH)2.[结论]基于异化铁还原细菌制备生物磁铁矿可用于还原Cr(Ⅵ),这是一种有效去除Cr(Ⅵ)的途径.

[背景]一些异化铁还原细菌兼具铁还原和发酵产氢能力,可作为发酵型异化铁还原细菌还原机制研究的对象.[目的]筛选出一株发酵型异化铁还原细菌.在异化铁还原细菌培养体系中,设置不同电子供体并分析电子供体.[方法]通过三层平板法从海洋沉积物中筛选纯菌株,基于16S rRNA基因序列进行菌株鉴定.通过测定细菌培养液Fe(Ⅱ)浓度及发酵产氢量分析菌株异化铁还原和产氢性质.[结果]菌株LQ25与Clostridium butyricum的16S rRNA基因序列相似性达到100％,结合电镜形态观察,菌株命名为Clostridium sp.LQ25.在氢氧化铁为电子受体培养条件下,菌株生长较对照组(未添加氢氧化铁)显著提高.菌株LQ25能够利用丙酮酸钠、葡萄糖和乳酸钠进行生长.丙酮酸钠为电子供体时,菌株LQ25细胞生长和异化铁还原效率最高,菌体蛋白质含量是(78.88±3.40) mg/L,累积产生Fe(Ⅱ)浓度为(8.27±0.23) mg/L.以葡萄糖为电子供体时,菌株LQ25发酵产氢量最高,达(475.2±14.4) mL/L,相比对照组(未添加氢氧化铁)产氢量提高87.7％.[结论]筛选到一株具有异化铁还原和发酵产氢能力的菌株Clostridium sp.LQ25,为探究发酵型异化铁还原细菌胞外电子传递机制提供了新的实验材料.