铁还原菌在有机污染物修复中的应用

铁还原菌在有机污染物修复中的应用

19世纪，发现了能够恢复fe（）和mn（）的微生物。然而，到目前为止，生物科学家还认为，fe（）和mn（）是自然环境中产生的许多活性物质。究其原因,可能是没有检测到高效的Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)还原菌;另外,对这类生物反应的机理也缺乏认识。近年来,越来越多的资料表明一些Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)还原菌能够以Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)为唯一的电子受体来氧化多种有机物质,并从中获得生长的能量。在土壤、地下水和水域沉积物中,这些微生物作用下的Fe(Ⅲ)对有机物的氧化反应引起了人们的关注,其在“污染环境”原位修复中的潜在作用也引起了人们的兴趣。1电子受体的制备在同化作用中,Fe(Ⅲ)还原后被结合进各种细胞成分(如酶、辅酶、磁小体等);而在异化作用中,Fe(Ⅲ)被用作电子受体,还原产生的Fe(Ⅱ)积聚在细胞外。而自然界异化型铁还原菌的分布相当广泛,土壤、河流底泥、入海口沉积物、石油流层、地下水和温泉等均可成为其生境。1.1湖沼高铁杆菌的分离和生长金属还原土杆菌(Geobactermetallireducens)是严格厌氧菌,能够以Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)、硝酸盐以及U(Ⅳ)为电子受体,将多种有机物彻底氧化为CO2。能被氧化的有机物包括乙酸、乙醇、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、丙酮酸、丙酮、丁醇、甲苯、苯甲酸、苯甲醛、苯乙醇、对羟基苯甲酸、对羟基苯甲醛、对羟基苯乙醇、苯酚和对甲酚等。湖沼高铁杆菌(Ferribacteriumlimneticum)也是严格厌氧菌,从受采矿影响的淡水湖底泥中分离获得。能以Fe(Ⅲ)为电子受体,以乳酸、甲醛和苯甲酸为电子供体生长。腐败希瓦氏菌(Shewanellaputrefaciens)以Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)和U(Ⅳ)为最终电子受体,可氧化氢、甲酸、乳酸和丙酮酸等多种基质;对乳酸和丙酮酸的氧化不彻底,产生乙酸和CO2。乙酸氧化脱硫单胞菌(Desulfuromonasacetoxidans),从海洋中分离获得,与金属还原土杆菌具有较高的同源性。与金属还原土杆菌的差别在于它能在高盐浓度下生长,能以硫为电子受体,不能以硝酸盐为电子受体。在有氧条件下,它能以乙酸、乙醇、丙酮、丙酮酸和丁醇为电子供体,以很少量的晶体Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)为电子受体。1.2蛋白和酵母糖在火山泉沉积物、陆地深层和海底、地下石油层及海底等高温环境中,生活着多种高温性铁还原菌。嗜铁热土杆菌(Thermoterrabacteriumsiderophilus),分离自火山泉中,厌氧,可异化还原Fe(Ⅲ),生长温度为39～78℃,在添加或不添加Fe(Ⅲ)的条件下,都能利用蛋白胨、酵母浸出汁、淀粉、甘油、丙酮酸、葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖、木醛糖、纤维二糖和山梨糖醇。深层芽孢杆菌(Bacillusinfernus),厌氧,以甲酸或乳酸为电子受体还原Fe(Ⅲ)。脱铁热土杆菌(Thermoterrabacteriumferrireducens),以复杂有机物、有机酸、乙醇和氢分子为电子受体还原Fe(Ⅲ)。嗜热氧化硫化芽孢杆菌(Sulfobacilliusthermosulfidooxidans)、嗜酸硫化芽孢杆菌(Sulfobacilliusacidophiles)和铁氧化醋微菌(Acidimicrobiumferrooxidans),均能够在氧限制条件下以甘油还原Fe(Ⅲ)。2hfo微溶的生物还原在一些生物体中,Fe(Ⅲ)还原与电子传递链相联。但只有微生物能够以Fe(Ⅲ)为唯一电子受体,有机物为电子供体,并从中获得生长所需的能量时,该反应才能持续进行。从热力学上看,以可溶的Fe(Ⅲ)为最终电子受体来氧化有机化合物,要比利用SO42-或CO2为电子受体产生更多的能量。但是,沉积物中的氧化铁大多以不溶性的水合氧化铁(HFO)的形式存在,受HFO的表面积限制和结晶程度的影响,以Fe(Ⅲ)作为电子受体的竞争力并不如SO42-或CO2。由于HFO微溶,它必须分散在细胞表面才能利用,因而大大限制了异化型铁还原菌的代谢。据文献报道,微生物可通过如下途径来缓解HFO微溶的困扰:①利用腐殖酸为电子穿梭载体。腐殖质能够加速微生物的异化型Fe(Ⅲ)还原,促进有机物的降解。实验证明,腐殖酸对Fe(Ⅲ)的促溶作用很弱,但它可作为电子穿梭载体,在微生物与氧化铁之间进行电子穿梭运送。在铁还原菌的作用下,基质释放的电子传递给腐殖质中的醌,产生的氢醌则把电子传递给Fe(Ⅲ)。腐殖酸之所以能加速Fe(Ⅲ)还原是因为:A.铁还原菌接触腐殖质要比接触不溶性的Fe(Ⅲ)氧化物容易;B.腐殖质接触不溶性Fe(Ⅲ)氧化物要比铁还原菌容易。②分泌细胞色素c。金属还原土杆菌能把细胞色素分泌至胞外,作为电子穿梭载体,降低对细胞直接接触Fe(Ⅲ)氧化物的依赖程度。硫还原土杆菌(G.sulfurreducens)、需盐脱硫弧菌(D.salexigens)和乙酸氧化脱硫单胞菌产生的细胞色素很相似,均能快速还原氢氧化铁、硝基三乙酸铁、柠檬酸铁和二氧化锰,但对硫、蒽醌二磺酸和腐殖酸的还原较慢。若将硫还原土杆菌的细胞色素c供给产琥珀酸沃林氏菌(Wolinellasuccinogens),后者能够以富马酸和硝酸盐为电子受体进行氢和甲酸的氧化。若把两种菌共培养,硫还原土杆菌能以细胞色素来氧化乙酸,而产琥珀酸沃林氏菌则以硝酸盐来氧化还原态的细胞色素。细胞色素c起着Fe(Ⅲ)还原酶的作用;通过它,把电子传递给不溶性氢氧化铁以及其它电子受体。③粘附。缺乏可溶的电子穿梭载体时,粘附作用提供了缓解HFO微溶困扰的另一条途径。海藻希瓦氏菌(Shewanellaalga)BrY能够产生一种复合蛋白,使细胞粘附在HFO表面,这种微生物也能通过其它机理粘附于结晶铁矿的表面。提高缓冲溶液的离子强度可促进粘附,随着溶液KCl浓度的升高,海藻希瓦氏菌BrY对HFO的还原能力增强。粘附常常是铁还原菌进行异化型Fe(Ⅲ)还原的限速步骤。3有机物的提取能够在Fe(Ⅲ)氧化物的异化型还原中发生降解的有机物较多,其中包括发酵酸(如乙酸、丙酸、丁酸、乙醇)、芳香族化合物(如苯、甲苯、酚、甲酚、苯甲酸、苯胺等)和碳水化合物等。3.1c3e-2e的代谢特征好氧的乙酸氧化脱硫单胞菌和厌氧的金属还原土杆菌可通过三羧酸循环将乙酸氧化为CO2。但厌氧微生物不能利用这种代谢途径,它们以Fe(Ⅲ)作为电子受体,即:CΗ3CΟΟ-+8Fe(Ⅲ)+4Η2Ο→2ΗCΟ3-+8Fe(Ⅱ)+9Η+CH3COO−+8Fe(Ⅲ)+4H2O→2HCO3−+8Fe(Ⅱ)+9H+这种代谢可为细胞生长提供能量。腐败希瓦氏菌则能以Fe(Ⅲ)作为电子受体氧化甲酸、乳酸与丙酮酸(表1)。3.2gs-15培养的化合物金属还原土杆菌(GS-15)是最早发现的能以Fe(Ⅲ)为电子受体氧化芳香化合物的微生物,可降解的芳香化合物有苯、甲苯、酚、甲酚、对甲酚、苯酚、苯胺、苯甲酸、对羟基苯甲酸、苯甲醛、对羟基苯甲醛、苯乙醇、对羟基苯乙醇等(表1)。GS-15菌株可从这些芳香化合物的分解中获得生长所需的能量。在生物降解中,甲苯上的甲基首先被氧化而生成苯甲醛;对甲酚的甲基也首先被氧化,生成p-羟基苯甲醛。p-羟基苯甲醛是p-羟基苯甲醛酚和甲酚代谢的中间产物。此外,虽然尚未发现微生物能以Fe(Ⅲ)来氧化硝基芳香化合物(NAC),但NAC的还原则与铁元素有关。铁元素能够在铁还原菌氧化有机质时充当电子转移的介质。3.3c6126.3-甲基-3-丁烯、氨基酸、硫酸和硫酸3-丁烯、硫酸3-丁烯、脂肪酸3-丁烯、脂肪酸3-酸3-甲基-4-甲基苯磺酸vibrospp.的制备通法在碳水化合物发酵时,Fe(Ⅲ)只是微生物次要的电子受体。Rbort(1947)发现,多粘芽孢杆菌(Bacilluspolymyxa)每代谢100mol葡萄糖,还原41molFe(Ⅲ),以其反应的化学计量式计算:C6Η12Ο6+24Fe(Ⅲ)+12Η2Ο→6ΗCΟ3-+24Fe(Ⅱ)+30Η+则在该反应中,还原41molFe(Ⅲ)只需约1.7mol葡萄糖,显然Fe(Ⅲ)不是主要的电子受体,相反,乙醇、2,3-丁烯、氨基酸、甘油、乳酸、甲酸和氢分子才是主要的电子受体。弧菌属(Vibriospp.)只将葡萄糖或苹果酸发酵中产生的0.03%～0.13%电子传递给Fe(Ⅲ)。少量的Fe(Ⅲ)还原难以为生长提供足够的能量。4生物修复技术的应用生物修复技术主要是利用自然环境中生息的微生物或投加的特定微生物,人为地促进污染物分解,修复被污染环境的工程方法。它已广泛应用于污染土壤和地下水的净化。但是,实践中采用的生物修复技术多为好氧生物技术;而许多环境为厌氧环境,充氧十分困难,这就限制了生物修复技术的作用。利用微生物以Fe3+为电子受体厌氧降解有机物的特性,可望发展厌氧生物修复技术。在异化型铁还原菌的作用下,Fe(Ⅲ)被还原为Fe(Ⅱ),同时耦联有机物的降解,使有机污染转化为CO2;而Fe(Ⅱ)遇氧后,又可在铁氧化菌的作用下生成Fe(Ⅲ)。利