Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统还原有机污染物的研究进展

在土壤和沉积物的自然厌氧环境中,铁氧化物可被铁还原茵等微生物异化还原产生Fe(Ⅱ),形成的Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统具有还原活性,可使有机污染物还原转化.综述了含卤和含硝基有机污染物的非生物还原转化过程和表面结合铁系统与有机污染物之间的界面反应机理,进而揭示了污染物在环境中的赋存状态和迁移转化规律;重点分析了影响该还原过程的因素,如铁氧化物类型、pH值、Fe(Ⅱ)与铁氧化物接触时间,以及过渡金属、腐殖酸等竞争因子对反应过程的影响.强化自然界中天然的Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统在有机污染治理中的作用,在受污染环境修复领域具有广阔的应用前景.     

Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统还原有机污染物的研究进展

在土壤和沉积物的自然厌氧环境中,铁氧化物可被铁还原菌等微生物异化还原产生Fe(Ⅱ),形成的Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统具有还原活性,可使有机污染物还原转化。综述了含卤和含硝基有机污染物的非生物还原转化过程和表面结合铁系统与有机污染物之间的界面反应机理,进而揭示了污染物在环境中的赋存状态和迁移转化规律;重点分析了影响该还原过程的因素,如铁氧化物类型、pH值、Fe(Ⅱ)与铁氧化物接触时间,以及过渡金属、腐殖酸等竞争因子对反应过程的影响。强化自然界中天然的Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统在有机污染治理中的作用,在受污染环境修复领域具有广阔的应用前景。 [HT5H]关 键 词:[HT5K]     

硫酸盐还原菌及异化铁还原菌对 黄钾铁矾还原作用的对比

选取酸性矿坑水环境中常见的次生含铁硫酸盐矿物———黄钾铁矾[KFe3(SO4)2(OH)6]为研究对象,用硫酸盐还原菌 Desulfovibriovulgaris 和异化铁还原菌Shewanellaputrefaciens CN32对其进行还原实验,探讨作为重金属治理潜在材料的 黄钾铁矾的微生物稳定性.实验采用非增长型培养基,在中性、厌氧、30℃的条件下进行.采用湿化学方法测量水溶液及还原产 生的总Fe2+ ,利用X射线衍射(X-raydiffraction,简称XRD)来分析反应后残余固体物质的矿物组成,用扫描电镜(scanning electronicmicroscopy,简称SEM)观察固体残余物的形貌特征.结果表明,没有微生物的参与,黄钾铁矾的稳定性较好.异化铁 还原菌S.putrefaciens CN32和硫酸还原菌D .vulgaris 在营养极其匮乏的中性厌氧条件下均能还原黄钾铁矾晶格中的 Fe3+ ,显示出黄钾铁矾被微生物还原的可能性.S.putrefaciens CN32还原黄钾铁矾晶格中Fe3+ 的最大还原速率和最终Fe3+ 还原率分别为0.001mmol·L-1·h-1和0.37%.与S.putrefaciens CN32不同,D .vulgaris 对黄钾铁矾的还原能力较强,不 含有电子穿梭体(Anthraquinone-2,6-disulfonate,简称AQDS)的实验体系中Fe3+ 的最大还原速率和最终Fe3+ 还原率分别为 0.017mmol·L-1·h-1和16.80%,而添加了AQDS的实验体系的则分别达到了0.026mmol·L-1·h-1和24.30%,这可能与 黄钾铁矾中含有SO42- 有关.D .vulgaris 优先还原黄钾铁矾晶格中的SO42- 产生的H2S是强还原剂,也可促进Fe3+ 的还原, 微生物以及H2S的双重作用可能是导致D .vulgaris 体系中Fe3+ 还原率较高的原因.XRD分析表明,黄钾铁矾经过S.putrefaciens CN32的作用,物相没有发生变化;而经过D .vulgaris 作用后,黄钾铁矾的特征峰消失,固相残余物中出现了菱铁 矿(FeCO3)、蓝铁矿[Fe3(PO4)2·8H2O]等次生矿物.由于培养基中没有添加任何的磷酸盐,因此蓝铁矿的出现可能是由于培 养基中添加的少量酵母浸膏降解后产生的磷酸根与D .vulgaris 还原黄钾铁矾产生的Fe2+ 相互作用的结果.这些认识对深入 理解地球表层铁的生物地球化学循环具有重要意义,为矿山环境重金属的污染治理提供了实验依据.      

两株异化铁还原菌与蒙脱石交互作用实验研究

本文选用采自辽宁某矿的天然钠基蒙脱石与两株异化铁还原菌模式菌株Shewanella putrefaciensCN32和She-wanellaoneidensisMR-1,研究了蒙脱石与微生物之间的交互作用。结果表明这两株菌均能还原蒙脱石晶格中的三价铁,使微生物作用于蒙脱石之后的反应体系中二价铁离子浓度明显升高,反应悬浊液颜色由无色变为浅绿色。透射电子显微镜晶格条纹像显示微生物作用后的粘土矿物微结构发生明显变化,其层间距d001值从1.29 nm分别减小为1.06 nm(CN32)和1.02nm(MR-1)。上述结果综合指示这两株异化铁还原菌能够通过还原天然蒙脱石结构中的三价铁促进矿物发生物相转变。     

微生物还原铁氧化物矿物的电化学研究

微生物可以还原铁氧化物矿物。本文通过使用电化学方法对铁氧化物矿物在微生物还原作用下的氧化还原特性进行模拟与表征,补充了从新角度对微生物还原铁氧化物矿物的研究。研究结果显示,微生物可直接以铁氧化物矿物作为电子受体将其还原得到二价铁生成物。电化学实验显示,0.2 mA阴极恒电流条件下铁氧化物矿物可以接受电子,同时铁氧化物矿物中的Fe3+在0.89±0.01 V(相对于饱和甘汞电极)时发生还原反应,表明铁氧化物矿物满足被微生物还原的电化学条件。双室微生物-铁氧化物矿物体系研究证实,铁氧化物矿物可以作为阴极接受微生物提供的电子。     

江汉平原浅层含水层中土著硫酸盐还原菌对砷迁移释放的影响

硫酸盐还原菌是厌氧环境中参与砷形态转化的重要微生物种群,其介导的生物地球化学循环过程对铁氧化物表面吸附态砷迁移转化的影响亟待深入研究.选取江汉平原典型高砷含水层原位沉积物分离纯化出一株严格厌氧硫酸盐还原菌Desulfovibrio JH-S1,对其进行砷和铁还原能力鉴定,并通过模拟培养实验探究硫酸盐还原菌参与下的铁矿物相转化对吸附态砷迁移的影响.Desulfovibrio JH-S1具有Fe(III)还原能力,无硫和有硫体系中Fe(III)均能被还原,但在硫酸盐充足条件下铁还原量显著增加;该菌株不具备As(V)还原能力,但添加硫酸盐的培养体系中As(V)去除率可达96%以上.Desulfovibrio JH-S1能够还原硫酸盐从而促进载砷的水铁矿还原转化为纤铁矿,并导致吸附的砷释放.江汉平原高砷含水层土著硫酸盐还原菌兼具硫酸盐/铁还原功能,参与了高砷含水层系统中砷-铁-硫耦合循环,对高砷地下水的形成具有重要作用.      

微生物对绿脱石中有机质利用的研究

为了探索黏土矿物中含有的有机质能否被微生物利用以及微生物利用的效率,本文选取富三价铁的黏土矿物绿脱石NAu-2为还原对象,嗜热菌Thermus scotoductus SA-01,以及常温菌Shewanella putrefaciens CN-32为异化铁还原菌,分别在没有外加碳源的情况下对NAu-2结构铁进行还原。实验选取化学方法来测试Fe3+还原程度与还原速率,利用X射线粉晶衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱分析仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)对黏土矿物还原产物进行矿物学表征,利用总碳/氮分析仪测试黏土矿物释放出来的溶解碳总量以及高效液相色谱仪来分析不同有机组分的含量。实验结果表明相对于常温菌CN-32,嗜热菌SA-01可以有效利用绿脱石中含有的微量有机质作为碳源。由此可知,黏土矿物经微生物作用后发生还原溶解,其吸附的有机质会随着溶解程度的升高不断释放到周围环境中;黏土矿物含有的有机质组分成分复杂,在不同温度环境下释放出来的有机质速率与种类有所不同。     

土壤游离态Fe(Ⅱ)催化氧化铁矿物晶相转变的Fe原子交换机制

<正>氧化铁作为高活性矿物的重要内因是以变价元素铁构成的氧化铁循环过程活跃。土壤铁循环是一个特殊微生物驱动的生物地球化学过程,长期以来普遍认为,以氧化铁矿物为末端电子受体、铁还原菌通过氧化电子供体藕联的氧化铁异化还原过程[1],与以游离态Fe(II)为电子受体、铁氧化菌作用产生的Fe(II)微生物氧化成矿过程[2],组成了完整的铁循环链[3](图1过程I和II)。1980年底有研究发现,厌氧条件下游离态     

Shewanella oneidensis MR-1还原铁帽过程中的矿物相转变和重金属的释放

本文以江西武山吴家山铜矿铁帽为研究对象、以合成针铁矿为对照,研究异化铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1还原铁帽过程中的矿物物相变化和重金属的释放。使用邻菲啰呤法、ICP-OES、SEM、TEM、XRD和FTIR等分析方法,系统表征了实验体系中矿物物相和溶液化学组成的变化。Fe的释放趋势表明MR-1菌株还原了铁帽中的高铁矿物,并导致铁帽中重金属元素的释放。由于菌体和次生矿物的影响,不同重金属元素的活动性存在差异,Mn和As多以次生矿物形式再次沉淀,而菌体对Zn和Cu、Pb的吸附能力较强。同时发现死菌组中亦有高铁矿物被还原的现象,可能与有机质的还原有关。     

铁氧化物对有机质厌氧产甲烷过程的影响及其机制

甲烷(CH?)不仅是自然界产生的重要温室气体,也是人类已经推广利用的可再生能源之一.作为自然界广泛存在的矿物,铁氧化物同厌氧微生物的交互作用对产甲烷过程具有显著的影响.主要针对不同铁氧化物-厌氧微生物体系内的产甲烷效率,铁氧化物及微生物群落演化,铁氧化物的作用机制等进行总结分析.铁氧化物在微生物的作用下会发生溶解、还原并可能产生新的矿物.而铁氧化物的直接和间接影响微生物群组成,进而影响产甲烷过程,主要体现在4个方面:(1)铁氧化物溶解及生物还原产生的Fe~(3+)/Fe~(2+)影响微生物活性和体系氧化还原电位;(2)铁还原菌和产甲烷菌竞争产甲烷基质;(3)铁氧化物对产甲烷菌的直接抑制毒性;(4)具有导电性能的铁氧化物可以作为电子传递媒介促进铁还原菌或脂肪酸氧化菌与产甲烷菌之间的直接电子传递过程.最后,探讨了铁氧化物促进产甲烷过程尚需解决的主要问题及研究趋势,以期推动铁氧化物-厌氧微生物交互作用及其环境效应方面的研究工作.     

电子穿梭体介导微生物还原铁氧化物的研究进展

微生物还原铁氧化物矿物是铁元素生物地球化学循环的重要组成,而利用具有氧化还原活性的电子穿梭体介导生物产生的电子向矿物的传递,促进Fe(III)还原是生物还原含铁矿物的一种重要方式.基于对国内外相关研究成果的归纳整理,本文系统综述了影响腐殖质、醌、硫物种、生物自分泌化合物及固相碳材料等不同类型电子穿梭体参与微生物还原转化铁氧化物的因素及介导电子传递机理,展望了电子穿梭体在环境地质科学研究中有待进一步解决的问题.     

微生物铁还原作用对蒙脱石保存有机物的影响:以硫酸盐还原菌为例

本文研究了微生物的铁还原作用对黏土矿物有机质保存的影响。将一种有机化合物(十二氨基十二酸)插层到一种富铁的蒙脱石(绿脱石)中,利用硫酸盐还原菌(Desulfovibrio vulgaris)分别对插层前后的绿脱石进行作用,以研究该菌对绿脱石结构中Fe3+的还原作用以及层间有机物的影响。结果发现,1Desulfovibrio vulgaris能够还原这2种绿脱石结构中的Fe3+,且电子穿梭体AQDS(蒽醌-2,6-二磺酸)能够增强还原速率和程度;2硫酸盐的存在能够增加还原速率和程度,表明还原过程中生成的硫化物与绿脱石结构中的Fe3+发生了化学还原作用;3通过X射线衍射、红外光谱、总有机碳分析表明,还原后的绿脱石,其结构层内仍有大量有机物,具有一定的稳定性和保存层间有机质的能力。     

腐殖酸对微生物还原绿脱石结构Fe(Ⅲ)的促进作用

微生物介导的铁循环是调控地表有害物质迁移转化等地球化学反应的关键因子之一。为了探明腐殖酸对微生物还原含铁黏土矿物的影响,选取了富铁黏土矿物绿脱石和不同土壤中提取到的腐殖酸为研究对象进行了实验,在有、无腐殖酸2种条件下对比了典型异化铁还原菌Shewanella putrefaciens CN32对绿脱石结构Fe(Ⅲ)的还原效率,同时分析了微生物作用后绿脱石的晶体结构差异。实验采用化学方法检测Fe(Ⅲ)的还原程度,利用X射线粉晶衍射(XRD)及傅里叶转换红外光谱(FT-IR)对微生物作用前后的绿脱石进行了矿物学表征,利用扫描电镜(SEM)研究了反应前后绿脱石的形貌差异。实验结果表明不同来源的腐殖酸均具有促进微生物还原绿脱石结构Fe(Ⅲ)的能力,但其促进效率存在差异。绿脱石中的结构Fe(Ⅲ)经微生物还原后,其矿物结构被破坏,结晶程度逐渐降低,矿物形貌由不规则片状变为松散疏松的网絮状。本研究对深入理解自然环境中铁的生物地球化学循环及其环境效应具有启示意义。     

一株兼性厌氧硝酸盐/Fe(Ⅲ)还原菌的分离及鉴定

表生环境中广泛存在以硝酸盐或Fe(Ⅲ)为电子受体、有机物或还原性无机盐为电子供体进行生长的微生物。硝酸盐还原菌具有降低水体硝态氮浓度的功能(Gesche等,2010),而铁还原菌具有固碳、磷(代谢产物Fe(Ⅱ)与CO32-、PO43-等反     

厌氧微生物作用下沉积物中砷的形态转化与环境行为研究

为了研究厌氧微生物作用下沉积物中砷的形态转化及固液界面的分配过程对砷的环境行为与归趋的影响,通过采集锦州湾清洁沉积物进行负载砷,利用微生物培养与非生物培养实验,对比研究厌氧微生物作用下砷铁硫共还原条件下污染体系中砷的环境行为与归趋。实验结果表明在培养的42 d周期内,液相的总砷量首先砷浓度保持降低趋势,而后再次升高。在培养第3~7 d时液相的As5+迅速被还原,约26%的溶解态砷从液相移除,97%以上的As5+被还原为As3+。同时微生物作用下固相中90%以上铁氧化物矿物逐渐转化为次生的亚铁矿物,固相中结晶态铁氧化物发生明显活化,而硫酸盐还原产物硫离子综合调控体系中游离的亚铁离子和As3+。因此,厌氧微生物还原条件下,砷,铁,硫同步发生还原,硫离子调控体系中砷和铁环境行为,硫化亚铁成为亚铁矿物的主要形态,硫化砷是砷的主要归趋。     

海水中钢铁锈层的微生物成因及其环境效应

研究了海水环境中钢铁腐蚀产物即锈层中的厌氧微生物群落和锈层矿物特征及其相关性。微生物富集培养和初步的分子生物学分析结果表明,海水钢铁锈层中至少生存有硫酸盐还原细菌和铁还原细菌两种厌氧细菌。使用扫描电子显微镜和电子能谱、X-射线衍射仪等对锈层样品进行了矿物学观察和分析。在外锈层和中间锈层,主要是α,β,γ-FeOOH等铁(水合)氧化物。铁水合硫酸盐即绿锈则主要出现在内锈层。初步讨论了厌氧细菌作用下的铁腐蚀矿物生成和转化过程,并提出钢铁锈层微生物和矿物在海洋环境的微生物修复中可能具有重要作用。     

铁氧化物对硫酸盐还原菌分解硫酸盐矿物的协同作用

以牛肉膏为碳源,用活性污泥混合菌接种,探讨在缺氧条件下添加不同的铁氧化物对硫酸盐还原菌(SRB)分解硫酸盐矿物的影响。通过溶液pH、铁离子、硫酸根浓度以及固体产物的SEM和EDS图谱分析,揭示硫酸盐矿物分解过程和机制。实验结果表明,铁氧化物对SRB分解硫酸盐矿物起着明显的协同作用:①被铁还原菌还原的Fe2+与硫酸盐还原产生的硫化氢反应形成铁硫化物,消除硫化氢对SRB分解硫酸盐的抑制作用;②铁氧化物还原溶解,提高体系的pH和碱度,增加生化产物CO2的溶解,诱导溶解的钙离子形成方解石沉淀,促进SRB分解硫酸盐矿物的过程。     

高温微生物铁还原条件下绿脱石对有机质的保存作用研究

粘土矿物在地表环境中广泛存在,并且与环境中的有机质紧密结合在一起。前人的研究发现,粘土矿物的可膨胀层间域可以有效地保存有机质,防止其在微生物诱导的氧化还原环境的波动的环境中被矿化。然而这一过程在高温条件下是否同样成立尚属未知。本文选取一种代表性有机质12-氨基十二酸(ALA)与典型含铁粘土矿物绿脱石(NAu-2)合成有机质-粘土矿物复合体,在两株高温-超高温铁还原细菌的作用后,通过多种水化学和矿物学的表征手段,研究其矿物结构的变化、有机质的结合稳定性和脱附情况。结果发现细菌对绿脱石结构铁的还原过程中造成的矿物结构的破坏(还原性溶解)是控制ALA从NAu-2中脱附的主要原因。高温条件也会略微促进ALA从NAu-2的层间域中脱附出来。总体来说,受限于微生物对结构铁的还原程度(30%),最终在结构铁还原反应结束后还是有相当大量的ALA在层间保存了下来。这一结果证明了粘土矿物的层间域在高温条件下同样也能够作为有机质保存的有效场所。     

铁介导的土壤有机碳固持和矿化研究进展

铁作为有机碳矿物保护的核心元素之一,不仅对土壤有机碳库的结构及其稳定性有重要影响,其氧化还原动态变化也驱动着有机碳的周转过程。从铁介导的有机碳固持机制、铁结合态有机碳稳定程度的影响因素以及铁氧化还原过程驱动的有机碳矿化机制3个方面对铁—碳耦合关系进行了梳理分析。首先,铁介导的有机碳固持机制主要取决于自身的矿物学特性,能够通过吸附、络合、共沉淀和夹层复合等方式形成铁结合态有机碳,从而对有机碳起到直接的矿物保护作用。此外,铁氧化物还可以作为胶结剂促进团聚体形成,或通过改变环境pH进而间接保护有机碳。其次,铁结合态有机碳的稳定性主要受其自身性质（铁的矿物学特征、碳铁比、与有机碳的结合方式）、铁还原菌的种类以及小分子有机物的影响。第三,铁介导的有机碳矿化过程主要包括铁异化还原介导的有机碳矿化过程,以及由Fe（Ⅱ）化学氧化驱动的芬顿/类芬顿反应所生成的羟基自由基导致的非选择性有机碳矿化过程。但是,铁氧化物也能通过与外源输入碳复合形成铁结合态有机碳从而抑制土壤有机碳的矿化,以及通过降低酚氧化酶活性而减缓有机碳的矿化速率。因此,铁氧化物的矿物学特性和氧化还原敏感性对土壤有机碳的累积具有重要影响。最后...     

江汉平原高砷地下水原位微生物的铁还原及其对砷释放的影响

微生物参与铁氧化物矿物的还原性溶解是高砷地下水形成的关键过程,其中具有砷还原功能的微生物如何参与含水层砷释放的生物地球化学过程亟待研究.利用从江汉平原典型高砷含水层中厌氧条件下分离出的四株细菌(Citrobacter sp.JH-1、Clostridium sp.JH-6、Exiguobacterium sp.JH-13、Paenibacillus sp.JH-33),通过室内厌氧模拟培养实验,查明其砷、铁还原能力,并通过分别与铁氧化物矿物及原位沉积物共同培养,探究原位含水层微生物参与的砷释放机理.结果表明:四株细菌均具有厌氧条件下砷、铁还原功能,Citrobacter sp.JH-1砷还原能力最强,96 h内还原的As(Ⅴ)浓度为2.22 μmol/L.其中Citrobacter sp.JH-1不仅可在厌氧和有氧条件下还原溶液中的As(Ⅴ),还可在厌氧条件下还原溶液中的Fe(Ⅲ)和无定型的水铁矿,在与含水层沉积物共培养12 d后,沉积物中铁与砷的释放量分别为510 mg/kg及1 150 μg/kg.江汉平原含水层中的原位微生物兼具砷/铁还原功能,在厌氧条件下可还原沉积物中的铁氧化物矿物并促进砷的释放,为深入揭示高砷地下水成因机理与地下水砷污染的防控提供重要科学依据.