（环境科学专业论文）水溶性有机物的电子转移能力及其对微生物异化铁还原影响的研究.pdf

特性，以及d o m 对微生物异化铁还原的影响。主要研究结论如下： 1 紫外一可见光谱扫描表明，污泥d o m 、堆肥d o m 与腐殖酸( h a ) 的吸 收峰特征在整体上是相似的，只是吸收峰强度有所不同，说明污泥d o m 和 堆肥d o m 中含有一定量的腐殖酸h a ，其是d o m 的重要组成成分。来源于 土壤的d o m 紫外可见光谱与h a 差异较大，说明来源于土壤的d o m 中h a 的含量相对较少。通过水相、有机相以及水相与有机混合相为溶剂的循环伏 安扫描，结果表明a q d s 、h a 、污泥d o m 、堆肥d o m 都存在氧化还原性。 来源于污泥、堆肥、表土、深土的四种d o m 红外光谱的吸收峰特征存在很 大的相似之处，说明它们含有相同的官能团；吸收峰的强度有所差异，表示 其含有官能团的量不一样。 2 在不同浓度电子供体下，以f e c l 3 和柠檬酸铁f e ( c i t r a t e ) 作为电子受体， 比较了菌d 1 4 。、s p 2 0 0 和h s 0 1 作为电子驱动力，测定d o m 的电子供给量 ( e d c ) 。结果表明，e d c f e c i 的大小顺序为：s p 2 0 0 d 1 4 。 h s o i ，e d cf e t e i t r a t e ) 的大d , j 颐序为：s p 2 0 0 z a d l 4 7 h s 0 1 。还研究了以菌d 1 4 1 为电子转移驱动力， 污泥d o m 多次氧化还原循环实验，结果表明污泥d o m 在3 次还原一氧化循 环后电子供给量( e d c ) 可稳定维持在15 0 2 5 0 p , m o l g ；循环伏安扫描表明， 不同来源的d o m 都存在氧化还原性，以污泥d o m 测试的结果最理想，其存 在明显的两对氧化还原峰，即阳极发生两次氧化( 失电子) ，阴极发生两次还原 ( 得电子) ，与a q d s 的扫描情况相同；d 1 4 1 茵还原水铁矿的实验中加入污泥 d o m ，水铁矿的还原速率加快；这些结果表明d o m 具有电子穿梭体的特性。 3 在微生物还原难溶性铁氧化物( 水铁矿) 的实验中，加入d o m 铁还原速 率得到了提高。当电子供体浓度一定时，铁还原量与d o m 浓度成一定正相关； 当d o m 浓度一定时，铁还原量与电子供体浓度成正相关；在以a q d s 和h a 作为水溶性有机物模型物的实验中也得到了类似的结果，说明d o m 的存在可 以促进微生物异化铁还原。 关键词水溶性有机物；异化f e ( m ) j 丕原；异化f e ( n i ) 还n 菌：氧化还原性： 电子转移能力 e l e c t r o nt r a n s f e rc a p a b i l i t yo fd i s s o l v e do r g a n i cm a t t e ra n di t s e f f e c t so l lm i c r o b i a ld i s s i m i l a t o r yf e ( n t ) r e d u c t i o n m a j o r ：e n v i r o n m e n ts c i e n c e p o s t g r a d u a t e ：x uw e i t u t o r ：h up e i ，g h u os h u n g u i d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r ( d o m ) r e p r e s e n t so n eo ft h em o s tm o b i l ea n d r e a c t i v eo r g a n i cm a t t e rf r a c t i o n s ，t h e r e b yc o n t r o l l i n gan u m b e ro fp h y s i c a l ，c h e m i c a l a n db i o l o g i c a lp r o c e s s e si nb o t ht e r r e s t r i a la n da q u a t i ce n v i r o n m e n t s t h eo r g a n i c 。一 a c i d sp r e s e n ti nt h ed o m c a l la c ta sac h e l a t i n ga g e n t ，e n h a n c i n gt h em o b i l i s a t i o no f t o x i ch e a v ym e t a l s f o rt h i sr e a s o n ，d o mi n f l u e n c e st h eb i n d i n ga n ds p e c i a t i o no f m e t a l si nt h ee n v i r o n m e n ta n dt h e i r m o b i l i t y ，t o x i c i t ya n db i o a v a i l a b i l i t y u n f o r t u n a t e l y ，o n l ya p p r o x i m a t e l y2 5 o fd o mh a sb e e nc h a r a c t e r i z e ds of a r , w h i c hh a s g r e a t l yl i m i t e do u ru n d e r s t a n d i n go fi t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fd o mi sn e c e s s a r y r e c e n t l y t h er e s e a r c hh a sb e e ns h o w nt h a t d o mh a sr e d o xp r o p e r t i e s ，w h i c hh a v eb e e nm a i n l ya t t r i b u t e dt oq u i n o n e s ，w h i c h c a l lb o t h a c c e p t o rd o n a t ee l e c t r o n s t h ee l e c t r o nt r a n s f e rr o l eo fd o m m a y p o t e n t i a l l yp m m o mm i c r o b i a ld i s s i m i l a t o r yf e ( ) r e d u c t i o ni ne n v i r o n m e n t d i s s i m i l a t o r yf e ( i ) r e d u c t i o ni st h ep r o c e s si nw h i c hm i c r o o r g a n i s m st r a n s f e r e l e c t r o n st oe x t e r n a lf e ( 1 i i ) o x i d ea sa ne l e c t r o na c c e p t o r ，r e d u c i n gi tt of e ( h ) ，a n d r m c r o o r g a n l s m sm a ya b s o r be n e r g yt os u p p o r tg r o w t ho rn o t d i s s i m i l a t o r yf e ( m ) r e d u c t i o nh a sam a j o ri n f l u e n c en o to n l yo nt h ed i s t r i b u t i o no fi r o n ，b u ta l s oo nt h e f a t eo fav a r i e t yo fo t h e rt r a c em e t a l sa n dn u t r i e n t s ，a n di tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n d e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e r s ot h e r e sa ni m p o r t a n te n v i r o n m e n t a ls i g n i f i c a n c et o e x a m i n et h ee f f e c t so fd o mo nm i c r o b i a ld i s s i m i l a t o r yf o ( n r e d u c t i o n i l l i i lt l l i sp a p e r , t h er e l a t e dn a t u r eo fd o mo ft h e i ro w nw e r ee x a m i n e dw i t h u v s s p e c t r o s c o p y , c y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) ，f o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e d s p e c t r o s c o p yi f r - m ) t b ee l e c t r o nt r a n s f e rc a p a b i l i t y ( e t c ) o fd o md e f i v e df r o m d i f f e r e n ts o u r c e sw e r es t u d i e dw i t hs h e w a n e l l ap u t r e f a c i e n s2 0 0 ，s h e w a n e l l ac i n i c a d 14 1a n da e r o m o n a sh y d r o p h i l ah s 0 1a sd r i v i n gf o r c eo fe l e c t r o nt r a n s f e r d o m s e l e c t r o ns h u t t l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n di t se f f e c t so nm i c r o b i a ld i s s i m i l a t o r yf e ( m ) r e d u c t i o nw e r ee x p l o r e d t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 u v v i s i b l e s p e c t r a s h o w e dt h a tt h ef e a t u r e so f a b s o r p t i o np e a ko f s l u d g e - d o m ，c o m p o s t d o ma n dh u m i ca c i d ( h a ) a l es i m i l a ri ng e n e r a l t h i s s u g g e s t e dt h a tt h es l u d g e d o ma n dc o m p o s t d o mi n c l u d es o m eh a ，w h i c hi sa l l i m p o r t a n tc o m p o n e n to fd o m t h r o u g hc vs c a n n i n go fd o m i nt h ea q u e o u sp h a s e ， o r g a n i cp h a s ea n dm i x e dw a t e ra n do r g a n i cp h a s e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea q d s ， h a ，s l u d g e - d o ma n ds l u d g e d o mh a v eo x i d a t i o n r e d u c t i o np r o p e r t i e s t h e r e w e r eal o to fs i m i l a r i t i e si nt h ef r - i rc h a r a c t e r i s t i co ff o u rd o m sd e r i v e df r o mt h e s l u d g e ，c o m p o s t ，t o p s o i la n dd e e ps o i l ，w h i c hs u g g e s t e dt h e yc o n t a i nt h es a m e f u n c t i o n a lg r o u p s t h ed i f f e r e n c e so fa b s o r p t i o n p e a l ( i n t e n s i t ya m o n gt h e m i n d i c a t e dt h a tt h ec o n t e n to ft h e i rf u n c t i o n a lg r o u p sw a s d i s s i m i l a r i t y 2 u n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fe l e c t r o nd o n o rw i t hf e c l 3a n df e ( c i t r a t e ) 舾t h ee l e c t r o na c c e p t o r , t h ee l e c t r o nd o n o f i n gc a p a c i t y ( e d c ) w a sd e t e r m i n e d w i t hs p u t r e f a c i e n s2 0 0 s c i n i c ad14 t a n da h y d r o p h i l ah s 0 1a sd r i v i n gf o r c e o fe l e c t r o nt r a n s f e r t h er e s u l t si n d i c a t e de d c sw i t hf e c l la st h ee l e c t r o na c c e p t o r w e r es p 2 0 0 d 1 4 h s o ia n de d c sw i t hf 色( c i t r a t e ) a st h ee l e c t r o na c c e p t o r w e r es p 2 0 0 = d1 4 稻草 纤维素，这与猪粪在降解过程中产生大量的 低分子量水溶性有机物密切相关。d o m 中含有多种有机酸组分，这些有机 酸通过络合、配位等作用与土壤中f e 、a 1 、m n 、c a 和m g 等金属离子形成 稳定络合物，降低金属离子对磷的固定作用。此外，d o m 可与磷酸根竞争 土壤表面吸附位或与磷酸根发生络合、溶解作用。 1 2 2d o m 对重金属在土壤中迁移性的影响 d o m 进入土壤后，可以提高土壤对酸碱的缓冲能力，从而促进土壤对 重金属的吸附。d o m 中含有一c o o h 、o h 、n h 2 以及c = o 等多种官能团，它 们都可以与金属发生配位、络合反应，形成有机重金属离子配合物，使得 d o m 成为重金属迁移活化的“载体”，可能会使土壤重金属的水溶性和迁移性 提耐2 2 1 。此外，d o m 还可以与土壤、水体和沉积物中的金属离子、氧化物、 矿物和有机物之间通过离子交换、吸附等反应，改变重金属的活性，因此， 对农业生态环境产生一系列影响。 近年来大量研究发现，长期施用有机物料的土壤，重金属有向土壤深层 迁移的现象。周立祥等( 1 9 9 4 ) 试验证明，连续两年施用污泥的菜地上，土壤中 z n 下移达6 0 c m 。j o r d a n 等( 1 9 9 7 ) 1 2 3 1 在研究泥炭d o m 中富里酸与胡敏酸对重 金属p b 在土壤中的吸附影响，试验指出，两者都能增加p b 在土壤中的活性。 g e r r i t s e ( 1 9 9 6 ) t 2 4 采用土柱试验研究了水溶性有机物对土壤中镉的迁移影响， 结果表明，随着d o m 的增加，镉的迁移性增强。k a l b i t z 和w e n n r i c h ( 1 9 9 8 ) 1 2 5 1 研究认为，土壤剖面中c r 、h g 、c u 、a s 含量与d o m 含量呈正相关，而且 可以通过土壤中d o c 浓度估计土壤中这些元素的潜在迁移性。t e m m i n g h o f f 4 等( 1 9 9 7 ) ( 2 6 1 采用土柱试验研究d o m 对土壤c u 活性影响，结果表明，在p h 6 6 时，d o m 溶液淋洗出的c u 含量占土壤总c u 量的2 0 ，对照淋洗出的c u 含量占总量的1 2 。而在p h 3 9 时，结果却相反，对照的淋出液c u 含量占 3 2 ，d o m 淋出液中c u 只占总量的2 8 。说明d o m 对土壤中重金属的活 化受到土壤p h 的影响，由于在低p h 值时，d o m 被质子化，降低了其与金 属离子的络合作用。通常，较高的p h 值有利于d o m 对金属的活化，这与 p h 值对土壤中d o c 的影响有关。 s t r o b e l 等( 2 0 0 1 ) 2 7 1 调查了c d 和c u 从未受污染的耕地土壤中释放的动 力学。结果表明，c d 的释放速率在p h 5 时非常低，而当p h 减少到小于5 后呈指数增加，不受d o m 的影响。在没有d o m 的实验中，c u 的释放速率 在高p h 时比低p h 时稍微低点。在p h 高于5 的实验中，溶液中含有5 m m o l l d o m 就可增加c u 的释放速率；然而，在p h 3 8 5 o 之间c u 的释放速率有点 迟缓，这与土壤中d o m 的最大保留量一致。许多研究表示，d o m 可提高施 过有机污泥的土壤中痕量金属的流动性。 1 2 3d o m 对农药在土壤中分布的影响 随着农药的广泛使用，农药的环境污染日益严重。大多数农药在土壤中 的持留时间很长，如d d t 在土壤中分解9 5 所需时间长达4 3 0 年，六六六 为3 2 0 年，狄氏剂为5 。2 5 年。它们进入土壤后会发生一系列的环境行为， 如地表径流、土壤滞留和吸附、土壤淋溶、非生物降解和转化及生物降解和 转化等，这对土壤、地下水以及食物链等都有巨大的危害作用。由于大多数 农药为疏水性的脂溶性有机物，易于被土壤胶体所吸附，因此，它们在土壤 中的吸附解吸被认为是其在土壤与水环境分布的主要支配因素。 农药在土壤中的吸附主要有物理吸附、离子交换吸附、氢键吸附和配位 吸附。早期研究发现，有机物料施入土壤可以增加农药的吸附。因此，有人 指出，在土壤中施入有机废弃物，也许是减少农药淋溶的一种有效措施。然 而，后来的研究发现，土壤中施入有机物料( 如污泥) 后，农药有活化迁移现象， 这主要是由于有机物料在降解过程中产生的d o m 所致。m a d h u n 等( 1 9 8 6 ) 【硎 指出，一些杀虫剂与d o m 形成络合物后移动性增大，从而推断d o m 增加 5 了农药在土壤中的活化迁移；b a s k a r a n 等( 1 9 9 6 ) t 2 9 1 用d o m 进行土柱试验，结 果证明，土柱中农药的渗漏量增加。n e l s o n 等( 2 0 0 0 ) t 3 0 j 分析了d o m 对土壤 中杀虫剂草萘胺活性影响，结果表示d o m 促进了草萘胺向土壤深层迁移， 而且d o m 与草萘胺的络合物稳定性很强，这可能对地下水环境构成严重威 胁。 d o m 对有机非离子烃类杀虫剂有很高的亲和力，从而影响它们在土壤中 的持留和迁移。r a b e r 和k o g e lk n a b n e r ( 1 9 9 7 ) t 3 1 j 研究了不同d o m 吸附多环 芳烃p a h s 的情况。p a h 化合物的分配系数( 1 0 9 ) ：土壤d o m4 8 4 9 ， 堆肥d o m 4 5 4 7 ，污泥d o m4 3 4 4 ，废物处理厂的渗滤液不吸附p a h s 。 堆肥d o m 含有大量的有机分子 1 4 0 0 0d a ( 3 2 4 6 ) ，而废物处理厂的渗滤液 只含有7 1 0 ，所以络合的p ! 媚s 较少。d o m 可以提高农药在土壤中活性， 可能破坏水生生态系统，甚至对人体健康产生影响。 1 3d o m 的研究热点电子转移能力( 氧化还原性) 长期以来，有关d o m 的研究集中于吸附与络合属性，重点是它对重金 属和有机污染物迁移扩散的影响。但最近d o m 的氧化还原属性逐渐成为一 个研究热点。d o m 的氧化还原属性是指d o m 可作为电子供体( 还原剂) ，亦 可作为电子受体( 氧化剂) ，这依赖于它的氧化还原态。d o m 的氧化还原属性 主要是醌类物质在起作用，它们可以接受或供给电子。荧光光谱【3 2 】、电子自 旋共振光谱【3 3 】和电化学【3 4 1 等方法研究表明，d o m 的氧化还原性主要是由于 d o m 结构中普遍存在的醌基，可能还存在一些氧化态的杂环原子结构( 如氮 或硫) 或金属有机络合物等其他的氧化还原活性成分。 p h 6 0 条件下，h e i t m a n n 和b l o d a u ( 2 0 0 6 ) t s 5 1 研究了以h 2 s 为电子供体( 还 原剂) ，还原d o m 的模型物腐殖酸( h u m i ca c i d ，h a ) 的一系列实验，计算了 d o m 的电子接受量( e l e c t r o na c c e p t i n gc a p a c i t y ，e a c ) ；接着以可溶性r e ( m 3 作为电子受体，接受还原态d o m 转移出的电子，从而计算其电子供给量 ( e l e c t r o nd o n a t i n gc a p a c i t i e s ，e d c ) 。电子转移量与d o m 的浓度相关性很大， d o c 浓度 6 0m g l - 1 时，接受和供给电子量都相应减少。结果表示，在有机 6 质丰富的土壤和沉积物中，d o m 很有可能再次化学氧化h 2 s ，说明在厌氧环 境中，h 2 s 与d o m 的氧化还原反应对硫循环有潜在的重要性。 2 0 0 7 年，b a u e r 等1 3 6 首先提出d o m 作为氧化还原缓冲剂的概念，采用 化学还原剂( 金属z n 和h 2 s ) 与氧化剂( 络合态三价铁) ，研究了不同p h 和不同 络合态三价铁条件下，电子接受量( e a c ) 和电子供给量( e d c ) 的情况，以及这 一过程中电子转移能力( e l e c t r o n t r a n s f e rc a p a c i t y , e t c ) 。测得结果：e a c 在 0 1 - 6 2m e q ( gc ) 一，e d c 在0 0 7 - i 5 2m e q ( gc ) ，e t c 由反应物的氧化还原 电势e h 控制，e t c = i 0 1 6 e b - - 0 13 8 ，r 2 = 0 8 7 。结果表明，以腐殖质为模型 物的d o m 溶液的氧化还原缓冲范围为：一o 9 一+ 1 0 v 。 f i m m e n 等( 2 0 0 7 ) 1 3 7 探索了来源于陆地和微生物的d o m 的氧化还原性。 利用直接扫描伏安法( d i r e c ts c a nv o l t a r n m e t r y ，d s v ) 、荧光光谱、核磁共振光 谱n m r 、x 一射线电光子分光光谱( x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ，x p s ) 、气 相色谱质谱联用( g c - m s ) 等方法研究了d o m 中对氧化还原行为起作用的结 构，如醌、氮和硫官能团等，结果表明醌普遍存在于d o m ，起着主要作用， 另外可能还存在一些氧化态的杂环原子结构( 如氮或硫) 或金属有机络合物等 其他的氧化还原活性成分。 h e i t m a n n 等( 2 0 0 7 ) 1 3 8 l 调查研究了原位d o m ( i ns i t ud o m ，即自然状态下 的d o m ) 的电子转移过程。d o m 氧化h 2 s 为硫代硫酸盐自身转变为还原态 d o m ，测得e a c ；还原态d o m 再将电子转移给可溶性f e ( i ) ，测得e d c 。 测得原位d o m 的氧化还原量：e a c 为o 2 6 1m e q ( gc ) ，e d c 为0 0 - 1 4 m e q ( gc ) 。e a c 一般随深度的增加而减少，随地下水位的下降而变化。 j i a n g 和k a p p l e r ( 2 0 0 8 ) t 3 9 研究了微生物驱动还原腐殖质( h u i n i cs u b s t a n c e s ， h s ) 和化学方式还原h s 的动力学。h s 是具有氧化还原活性的自然有机化合 物，能在微生物和铁矿物之间传递电子。研究表明，可溶性h s 的d o c 浓度 至少在5 1 0m g l 时，其电子穿梭功能才起作用。虽然这个浓度在许多河流、 湖泊，甚至一些蓄水层可以达到，但是也有许多海洋和淡水系统中d o c 5m g l 时， 硫还原地杆菌g e o b a c t e rs 1 f u r r e d u c e n s 转移电子给h s 比氢氧化铁至少快2 7 倍；被菌还原的h s 转移电子给水铁矿比菌转移电子给水铁矿至少快7 倍。 7 因此，证明h s 的存在可加速微生物对f e ( ) 矿物的还原；其次，电子从还原 态h s 转移到f e ( i i i ) 矿物成为h s 加速微生物铁还原的限速步骤。被菌还原的 h s ( 即还原态h s ) 转移出的电子数与被h 2 化学还原的h s 转移出的电子数一样 多，表明在氧化还原电位为_ 4 18m v ( 臣pp h7 时h 2 矿氧化还原对的e h o ) 下， 被化学还原的全部氧化还原活性的官能团也能被微生物还原。 1 4 异化铁还原 1 4 1 异化铁还原的定义 异化铁还原( d i s s i m i l a t o r yf e ( m ) r e d u c t i o n ) 是指微生物以f e ( m ) 作为末端电 子受体，氧化有机或无机电子供体，f e ( ) 被还原为f e ( n ) ，在这个过程中微生 物可以吸收能量支持生长，或者不吸收能量m4 1 1 。八十多年前，微生物还原铁 的能力就已被认知，但由于最早关于微生物f e ( 皿还原研究的一个结论：微生 物引起f e ( ) 还原是通过创造化学条件，从而促进f e ( ) 非生物的转变为 f e ( i i ) t 4 2 1 ，所以普遍认为环境中f e ( m ) 还原是非酶作用的过程4 3 1 。直到上世纪8 0 年代，才开始认识n f e ( m ) 还原是由特定微生物驱动的酶促反应，铁还原菌是 f e ( ) 还原的主要动力。微生物学和地质学上越来越多的证据表明，f e ( m ) 还原 是最早的微生物代谢形式 删。异化铁还原不但对铁的分布产生影响，而且对其 他的痕量元素和营养物质的分布及有机物的降解起着重要的作用。这个代谢形 式是地球化学上最重要的过程之一，普遍存在