SRB对沉积物-水界面铁硫行为的影响分析,环境工程硕士论文

DFeRB/SRB对沉积物-水界面铁硫行为的影响分析,环境工程硕士论文硫化物与铁(氢)氧化物之间的互相作用广泛存在于海洋和湖泊沉积物、水稻土等含水率较高的水土复合环境中，厌氧条件下溶解的硫酸盐可在有机质的生物氧化经过中被复原为硫化氢，并与沉积的铁进一步反响[1]。硫化物氧化速率被广泛应用于评价铁矿物在Fe(III)溶解方面的反响活性，硫化氢是氧化铁复原性溶解的关键因素，HS-对铁硫循环，十分是很多水生系统中碳和电子的流动起到了重要影响，硫化物的参加明显提高了含铁土壤矿物的反响活性[2]。硫酸盐复原菌〔SRB〕在汞甲基化、苯降解、铀转化等环境毒性污染物的生物转化中发挥着重要作用,其丰度已成为环境质量的一个指标[3]，更重要的是SRB介入了硫生物地球化学经过,可氧化减少硫代硫酸的生成。环境中多数晶体铁氧化物具有较高丰度和较小外表积，微生物对诸如针铁矿和赤铁矿等铁矿物的复原作用可能极大助益Fe(II)的生成、固存，以及保育相关微生物地球化学循环的长期潜力[4,5]。异化铁复原菌〔Dissimilatoryironreducingbacteria,简称DFeRB〕能够使有机或无机的电子供体以Fe(Ⅲ)作为电子受体而被氧化，将难溶的三价铁氧化物复原成可溶解性的Fe(II)，并从中获取能量[6,7]，改变生态系统的活性成分，加强(释放所吸附的离子)或减少(通过氧化复原活性代谢物来固定)污染物的归趋地下环境中的运输[8]。1.1.1铁复原作用。铁是广泛存在于地表和近地表环境中介入氧化复原循环的少数主要元素之一,以(氢)氧化物形式存在的铁是岩石和土壤重要组成部分,约占全球范围内湖泊和海洋中可氧化沉积物的2.1%[9]。铁的复原机制多种多样，复原的详细方式不仅因铁复原菌种类而异，而且受复原条件影响，主要包括铁氧化物与细胞外表直接接触以及产生可溶性Fe(III)螯合剂和电子穿梭化合物(如醌)等[10-14]。Fe(III)氧化物通常具有被活性-OH官能团覆盖的较大比外表积，是开阔水域、土壤和沉积物环境中各种有机和无机污染物的重要吸附剂，在厌氧条件下会发生复原性和非复原性溶解[15]，进而促进Fe(II)和-OH基团连同吸附的共沉淀物被释放到外部环境中。异化铁复原菌通过氧化电子供体偶联复原胞外不溶性铁氧化物矿物，并从中获得能量支持生长的经过称为异化铁复原作用或铁呼吸。大量研究表示清楚异化铁复原菌能够改变淹水土壤、沉积物、地表水和地下水的地球化学行为。厌氧非磺化条件下，铁氧化复原的主要途径是通过异化铁复原菌呼吸作用[16-18]。关于铁复原微生物怎样利用难以进入细胞内的不溶性铁氧化物矿物的机理较多，如直接接触、螯合促溶[11]、介导复原[19]、纳米导线辅助[20]及电子跃迁[21]等。微生物对针铁矿、赤铁矿等的持续复原在很大程度上受外表反响活性变化的控制，而外表活性受微生物复原和Fe(II)固着经过的影响，与构造顺序(结晶度)无关；异化铁复原菌被以为优先利用低序相，用于异化铁复原的主要底物可能是结晶程度更高层次(热力学更稳定)的铁氧化物，如针铁矿和赤铁矿铁，并且氧化物在环境中的持久性可能来是由于微生物源源不断产生铁-过氧化氢[8]。1.1.2硫复原作用。硫酸盐复原菌(SRB)是一类通过同化作用降低硫酸盐含量的厌氧原核微生物，广泛存在于湖泊、河流沉积物、油层和河口中[22,23]。SRB的复原作用是构成低结晶硫化物的主要原因，通过氧化低分子量的有机化合物〔乳酸、乙酸等〕获得能量和营养，并将硫酸盐作为外部电子受体，乳酸为电子供体而乙酸是乳酸不完全氧化产物[24]，复原性溶解能够构成单质硫、聚硫化物,硫代硫酸盐、亚硫酸盐和硫酸盐[25]。一般以为SRB是潮间带硫酸盐复原的主导微生物，主要利用硫酸盐作为其在厌氧条件下降解有机物的末端电子受体[26]，生成的H2S与环境中的自由金属离子结合构成稳定的金属硫化物。微生物硫酸盐复原作用是缺氧海洋/湖泊沉积物中有机质再矿化以及硫化物生成的主导机制[27]，微生物硫酸盐复原速率控制着沉积物硫循环，并且硫酸盐复原菌群落通常会对复原产生的大部分硫化物进行再养化[28]。通过冗余分析发现硫酸盐、TOC及pH等是影响根际沉积物SRB丰度的主要环境因子，华而不实硫化物浓度与金属浓度呈显着正相关，表示清楚SRB能够调控金属硫化物/和金属伴生硫化物[29]。1.1.3铁复原与硫复原作用之间的互相影响。铁复原与硫复原之间无论是经过还是结果都存在着密不可分的关系。硫化氢是氧化铁的重要复原剂，因而在沉积物和富营养化湖泊中硫化氢是氧化铁复原性溶解的关键因素，硫化物氧化速率被广泛应用于评价铁矿物在Fe(III)溶解方面的反响活性[30,31]。硫化氢与铁氧化物反响初期生成无定形沉淀,几天内结晶成更稳定的形态构造，在与火山活动有关的热液硫化物矿床中,铁和硫化物之间也存在直接沉淀机制[32]。HS-和氧化铁之间的互相作用对铁硫循环，十分是很多水生系统中碳和电子的流动起到了重要影响，Fe(III)复原性溶解的初始步骤是吸附HS-,这一吸附经过与外表电荷有关，固相Fe(III)与外表复合硫化物之间的电子转移导致Fe(III)的复原和单质硫的构成[9]；研究表示清楚，HS-能够吸附在含铁矿物外表并提供氢离子，硫化物的参加明显提高了含铁土壤矿物的反响活性，并在动力学层面上产生显着影响[33]。SO42-对Fe(III)复原的影响程度要明显高于包括Mg2+及Ca2+在内的一些主要二价离子,H2S被Fe(OH)3氧化的产物是S0[34]。在复原环境中SO42-与Fe(III)存在竞争电子供体的关系[35]，细菌催化可能在酸性沉积环境中Fe(III)复原与S复原的耦合经过中发挥重要作用，直接微生物复原作用与H2结合的氧化反响被以为是非硫源厌氧土壤和沉积物中Fe(III)氧化复原的主导机制[7,36],FeS的构成发生在SRB外膜或细胞质中，并且能够反映复原产物的同位素组成。在异化铁复原菌生长经过中添加少量硫醇能够将产物再循环回其反响物，进而显着提高铁的复原速率[37]。SO42-不仅对异化铁复原菌存在影响[38]，添加SO42-能够明显促进SRB的复原活性[39]。不仅仅仅是SO42-，一定浓度的Fe(II)也能够剌激SRB的生物活性，存在同时利用SO42-和Fe(III)两种因素作为电子受体的SRB[40,41]，但需要注意的是不同浓度量级的Fe(II)对SRB产生的影响截然不同[42]，SRB可能会排泄一种能够促进铁离子利用率的酸性产物[43]，当Fe(II)浓度处于3-4g/L时不再促进SRB繁育反而很可能产生负面影响[44]。1.2.选题根据及研究意义。沉积物-水界面铁/硫释放经过特别复杂，牵涉溶解、络合、离子交换等物理化学反响及生物氧化、复原、甲基化等作用，是典型的生物化学经过，自然湖泊中富含诸如异化铁复原菌、硫酸盐复原菌等数目诸多且活性强的微生物，对铁/硫形态转化及环境地球化学行为具有不可忽视的影响。北方普遍具有长达4-6个月的冰封期，冰封期可能会切断物质及能量交换、打破沉积物与水体间的动态平衡，因而湖水冰封期间铁/硫在冰-水介质中的迁移对湖泊生态环境同样具有重要意义。乌梁素海地处北方蒙新高原，属于典型的寒旱区湖泊，冰封期较长，溶解氧较低及复氧差等特殊的水文环境特征对铁/硫形态转化及地球化学行为存在重要影响。当前关于寒旱区湖泊冰封期和非冰封期微生物对铁/硫界面行为的影响研究虽被广泛关注，但关于冰封期厌氧环境中微生物的异化复原作用对铁/硫界面行为的影响研究尚有缺乏。本文以乌梁素海沉积