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DFeRB/SRB对沉积物-水界面铁硫行为的影响分析

时间:2019-11-19 来源:内蒙古大学 作者:吕项蒙 本文字数:6666字
  摘 要
  
  铁与硫同为广泛参与地球化学循环的常见元素,两者的界面行为往往同时进行并且存在相互作用。本文针对蒙古高原湖泊冰封期较长的特点,以典型寒旱区湖泊乌梁素海沉积物为研究对象,重点考察了冰封期与非冰封期条件下铁硫界面行为,深入探讨了 DFeRB/SRB 对沉积物-水界面铁硫行为的协同影响机制,阐释了铁硫耦合关系,以期为揭示冰封期寒旱区湖泊环境变化、评价冰封期低活性微生物对铁/硫地球化学循环贡献提供基础数据和科学依据。本文得出以下结论:

DFeRB/SRB对沉积物-水界面铁硫行为的影响分析
  
  (1)虽然冰封期铁/硫还原程度及释放强度整体低于非冰封期且变化趋势更为稳定,但冰封状态对自然湖泊中铁/硫赋存及转化仍存在一定程度的影响。
  
  (2)非铁硫共存体系中,DFeRB 与 SRB 对铁还原影响程度相当,但 DFeRB 对硫还原促进作用较 SRB 更强;铁硫共存体系中,两种菌都更倾向于与硫酸根交换电子,且 DFeRB 参与反应时铁硫得电子总量更大。揭示了不同微生物的还原倾向性和生物利用性存在差异。
  
  (3)Fe、S 之间的释放速率及还原产物生成速率均存在相关性,但Fe 释放速率较 S 有明显滞后性,证实 Fe-S 之间存在不同程度的耦合关系且有阶段性差异。
  
  (4)Fe-S-还原菌共存体系中,硫酸盐还原作用优先于三价铁还原作用,揭示了一种反应产物介导与微生物直接作用相结合的还原机制。
  
  (5)原状沉积物组非冰封期 Fe2+浓度从上层到下层略有升高,其他体系铁/硫在垂直方向上的分布虽规律不一但均存在差异,表明铁/硫垂直界面亦有迁移转化。
  
  关键词:  铁;硫;界面过程;DFeRB;SRB;冰封期。
  
  ABSTRACT
  
  Iron and sulfur are common elements that are widely involved in the geochemical cycle,the interfacial behavior of the two elements tend to occur simultaneously and interact with each other.In this paper,in view of the long-term ice-covered period of Mongolian plateau lakes,taking the sediments in Wuliangsuhai which is on the typical cold and arid area as the research object,mainly researched the interaction behaviors of iron and sulfur under the conditions of ice-covered and non-freezing period,deeply discussed the mechanism of synergistic effect of DFeRB/SRB on iron and sulfur behaviors in sediment-water interface,illustrated the coupling relationship of sulfur and iron,so as to reveal the environmental changes of lakes in the cold and arid regions during the freezing period and to evaluate the contribution of low-activity microorganisms in the ice-sealing period to the iron/sulfur geochemical cycle,thus providing basic data and scientific basis. This paper draws the following conclusions:
  
  (1)Although the iron/sulfur reduction degree and release intensity during the ice-covered period are lower than the non-freezing period,and the change trend is more stable, the frozen state still has a certain degree of influence on the occurrence and transformation of iron/sulfur in natural lakes.
  
  (2) In the iron-sulfur non-coexistence system, DFeRB and SRB have the same effect on iron reduction, but DFeRB promotes sulfur reduction more strongly than SRB. In the iron-sulfur coexistence system, both bacteria are more inclined to exchange electrons with sulfate. And the total amount of iron and sulfur electrons is larger when DFeRB participates in the reaction. It reveals the difference in reducing tendency and bioavailability of different microorganisms.
  
  (3)There is a correlation between the release rate of Fe and S and the rate of reduction product formation, but the release rate of Fe has a significant hysteresis compared with S.It is confirmed that there are different degrees of coupling between Fe-S and there are stage differences.
  
  (4)Under the condition of adding reducing bacteria,the reduction of sulfate is more obviously than the reduction of ferric iron,revealing a reduction mechanism that the induction in the reaction product in combination with the direct action of microorganisms.
  
  (5)The concentration of Fe2+in the non-freezing period of the undisturbed sediment group increased slightly from the upper layer to the lower layer.The distribution of iron/sulfur in other systems is also different in the vertical direction, indicating that the iron/sulfur vertical interface also has migration and conversions.
  
  KEY WORDS:    iron;sulfur;interface process;DFeRB;SRB; ice-covered。
  
  第一章 绪论
 
  
  1.1 研究背景。

  
  硫化物与铁(氢)氧化物之间的相互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过程中被还原为硫化氢,并与沉积的铁进一步反应[1]。
  
  硫化物氧化速率被广泛应用于评价铁矿物在 Fe(III)溶解方面的反应活性,硫化氢是氧化铁还原性溶解的关键因素,HS-对铁硫循环,特别是许多水生系统中碳和电子的流动起到了重要影响,硫化物的加入明显提高了含铁土壤矿物的反应活性[2]。硫酸盐还原菌(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 参与了硫生物地球化学过程,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表面积,微生物对诸如针铁矿和赤铁矿等铁矿物的还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]。异化铁还原菌(Dissimilatory iron reducingbacteria,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还原成可溶解性的 Fe(II),并从中获取能量[6, 7],改变生态系统的活性成分,增强(释放所吸附的离子)或减少(通过氧化还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 铁还原作用。
  
  铁是广泛存在于地表和近地表环境中参与氧化还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]。铁的还原机制多种多样,还原的具体方式不仅因铁还原菌种类而异,而且受还原条件影响,主要包括铁氧化物与细胞表面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表面积,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还原性和非还原性溶解[15],从而促进 Fe(II)和-OH 基团连同吸附的共沉淀物被释放到外部环境中。
  
  异化铁还原菌通过氧化电子供体偶联还原胞外不溶性铁氧化物矿物,并从中获得能量支持生长的过程称为异化铁还原作用或铁呼吸。大量研究表明异化铁还原菌可以改变淹水土壤、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,铁氧化还原的主要途径是通过异化铁还原菌呼吸作用[16-18]。关于铁还原微生物如何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]、介导还原[19]、纳米导线辅助[20]及电子跃迁[21]等。微生物对针铁矿、赤铁矿等的持续还原在很大程度上受表面反应活性变化的控制,而表面活性受微生物还原和 Fe(II)固着过程的影响,与结构顺序(结晶度)无关;异化铁还原菌被认为优先利用低序相,用于异化铁还原的主要底物可能是结晶程度更高(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因为微生物源源不断产生铁-过氧化氢[8]。
  
  1.1.2 硫还原作用。
  
  硫酸盐还原菌(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 的还原作用是形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],还原性溶解可以形成单质硫、聚硫化物,硫代硫酸盐、亚硫酸盐和硫酸盐[25]。一般认为 SRB 是潮间带硫酸盐还原的主导微生物,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形成稳定的金属硫化物。
  
  微生物硫酸盐还原作用是缺氧海洋/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],微生物硫酸盐还原速率控制着沉积物硫循环,并且硫酸盐还原菌群落通常会对还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,其中硫化物浓度与金属浓度呈显着正相关,表明 SRB 可以调控金属硫化物/和金属伴生硫化物[29]。
  
  1.1.3 铁还原与硫还原作用之间的相互影响。
  

  铁还原与硫还原之间无论是过程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还原剂,因此在沉积物和富营养化湖泊中硫化氢是氧化铁还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)溶解方面的反应活性[30, 31]。硫化氢与铁氧化物反应初期生成无定形沉淀,几天内结晶成更稳定的形态结构,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-和氧化铁之间的相互作用对铁硫循环,特别是许多水生系统中碳和电子的流动起到了重要影响,Fe(III)还原性溶解的初始步骤是吸附 HS-,这一吸附过程与表面电荷有关,固相 Fe(III)与表面复合硫化物之间的电子转移导致 Fe(III)的还原和单质硫的形成[9];研究表明,HS-能够吸附在含铁矿物表面并提供氢离子,硫化物的加入明显提高了含铁土壤矿物的反应活性,并在动力学层面上产生显着影响[33]。
  
  SO42-对 Fe(III)还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]。在还原环境中 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)还原与 S 还原的耦合过程中发挥重要作用,直接微生物还原作用与 H2结合的氧化反应被认为是非硫源厌氧土壤和沉积物中 Fe(III)氧化还原的主导机制[7,36],FeS 的形成发生在SRB 外膜或细胞质中,并且能够反映还原产物的同位素组成。在异化铁还原菌生长过程中添加少量硫醇可以将产物再循环回其反应物,从而显着提高铁的还原速率[37]。SO42-不仅对异化铁还原菌存在影响[38],添加 SO42-能够明显促进 SRB 的还原活性[39]。不仅仅是 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 可能会排泄一种可以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.选题依据及研究意义。
  

  沉积物-水界面铁/硫释放过程十分复杂,涉及溶解、络合、离子交换等物理化学反应及生物氧化、还原、甲基化等作用,是典型的生物化学过程,自然湖泊中富含诸如异化铁还原菌、硫酸盐还原菌等数目众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,因此湖水冰封期间铁/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。目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还原作用对铁/硫界面行为的影响研究尚有不足。
  
  本文以乌梁素海沉积物为研究对象,以室内模拟实验研究为基础,以微生物对铁硫界面行为的影响研究为主线,系统开展了冰封期及非冰封期异化铁还原菌和硫酸盐还原菌对沉积物中铁/硫释放及迁移转化规律的影响机制研究,探究各影响因素作用下铁/硫之间的耦合关系,评估冰封期微生物对沉积物中铁/硫环境地球化学循环的贡献,以期为冰封期湖泊环境化学变化的研究提供基础数据和科学依据。
  
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  1.3 主要研究内容
  
  第二章 研究区概况及研究方法
  
  2.1 研究区概况

  2.1.1 地理背景
  2.1.2 乌梁素海中的异化铁还原菌与硫酸盐还原菌
  
  2.2 研究方法
  2.2.1 样品采集与处理
  2.2.2 实验方案
  2.2.3 数据处理方法
  
  第三章 铁/硫还原影响因素及耦合机制研究
  
  3.1 研究方案

  3.1.1 实验材料
  3.1.2 实验设计
  3.1.3 测定及分析方法
  
  3.2 结果与讨论
  3.2.1 铁/硫还原影响因素研究
  3.2.2 微生物直接还原与化学介导还原共存机制探究
  3.2.3 Fe2+、S2-产生速率研究
  3.2.4 铁硫还原相关性研究
  
  3.3 小结
  
  第四章 沉积物铁/硫释放影响因素及耦合机制研究
  
  4.1 研究方案

  4.1.1 实验材料
  4.1.2 实验设计
  4.1.3 测定及分析方法
  
  4.2 结果与讨论
  4.2.1 沉积物 Fe2+/Fe3+释放影响因素研究
  4.2.2 沉积物 S2-释放影响因素研究
  4.2.3 沉积物中铁与硫释放速率研究
  4.2.4 沉积物中铁-硫释放速率相关性研究
  
  4.3 小结

  第五章 结论

  本文以乌梁素海为研究对象,以室内模拟实验研究为基础,以微生物对铁硫界面行为的影响研究为主线,系统开展了冰封期及非冰封期异化铁还原菌和硫酸盐还原菌对沉积物中铁/硫释放及迁移转化规律的影响机制研究,探究了各影响因素作用下铁和硫之间的耦合关系,得出以下主要结论:

  1.无沉积物硫铁还原耦合研究结果表明,添加还原菌组与无菌对照组 Fe2+累积浓度之间具有显着相关性,SRB 对 Fe3+还原过程的影响较 DFeRB 更大;添加 DFeRB 组与无菌对照组S2-浓度之间虽无直接相关性,但 DFeRB 仍在很大程度上影响 S2-的累积浓度变化;当 SO42-与Fe3+共存时,添加 DFeRB 组与添加 SRB 组的一个共同特点是更倾向于跟 SO42-交换电子;DFeRB 体系中铁硫得电子总量更大。无论外加DFeRB还是SRB,有无SO42-的两个对照组Fe2+累积浓度之间存在显着相关性,有无 Fe3+的两个对照组 S2-累积浓度之间亦存在显着相关性;外加还原菌条件下,硫酸盐还原作用优先于三价铁还原作用。此外,无论有无还原菌作用当 FeCl3与 Na2SO4共存时,两者还原产物 Fe2+/S2-的产生速率存在明显正相关,其中外加 SRB 组相关性最显着。

  2.不同深度沉积物释放 Fe3+和 Fe2+浓度冰封期均整体稍低于非冰封期且变化范围更为稳定。较浓度变化趋势较为平稳的 Fe2+而言,各组别 Fe3+的浓度变化趋势波动较大。S2-浓度分布较 Fe 有较大不同,除上层两外加还原菌组外,其他条件下非冰封期均整体稍低于冰封期且变化范围更为稳定,原状沉积物组、DFeRB 组冰封期与非冰封期浓度变化趋势基本一致,而灭菌组、SRB 组全周期内冰封期与非冰封期浓度高低交错。

  3.外加还原菌组 Fe2+浓度明显高于灭菌组及原状沉积物组且范围变化波动较大,而原状沉积物组 Fe3+浓度整体分布较其他三个处理组更高且更为分散;原状沉积物组 Fe2+最大累积浓度整体最低且出现较晚,但灭菌组出现最大峰值的时间更为集中;SRB 组 Fe3+最大累积浓度整体最低,未经处理的原状沉积物各组在释放过程中最大峰值相差较小且出现时间更为集中。无论冰封期还是非冰封期,上中下三层沉积物释放规律均表现为原状沉积物组与 DFeRB组整体明显高于灭菌组与 SRB 组。

  4.灭菌组无论冰封期还是非冰封期上中下三层 Fe2+浓度差异较小,原状沉积物组非冰封期 Fe2+浓度从上层到下层略有升高。冰封期各组别 S2-浓度呈现出一个共同规律即下层整体较大且分布较散,SRB 组尤为明显,上层沉积物 S2-浓度相对较小且分布更为集中。

  5.四种不同处理条件下各组别 Fe2+与 S2-、Fe3+与 S2-释放速率均存在一定整体相关性且规律性基本一致,分为快速和慢速两个阶段,各组别间达到平衡的时间稍有差异。灭菌组与 SRB组正相关性较为显着且点几乎只分布在同时快速释放区及同时慢速释放区,原状沉积物组与DFeRB 组有部分点散落 Fe2+/Fe3+慢速 S2-快速释放区,并且在此区域相关性较差,四个组别都几乎没有点落在 Fe2+/Fe3+快速 S2-慢速释放区,说明基本不存在 S2-缓慢释放但 Fe2+/Fe3+快速释放的现象,但却可能存在当 Fe2+/Fe3+缓慢释放时 S2-迅速释放的现象。

  参考文献

    吕项蒙. 微生物对铁硫界面行为影响机制研究[D].内蒙古大学,2019.
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