劉同旭，程寬 , ，陳丹丹，王瑩，殷云璐，李芳柏**

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州 510640；2. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039

微生物驅(qū)動(dòng)的亞鐵氧化過(guò)程與元素循環(huán)、重金屬遷移轉(zhuǎn)化息息相關(guān)，對(duì)深入了解地球化學(xué)過(guò)程和環(huán)境保護(hù)具有重要意義（Karimian et al.，2018；Melton et al.，2014；Tagliabue et al.，2017）。在酸性和微氧環(huán)境中，嗜酸性和微氧型鐵氧化微生物與氧氣競(jìng)爭(zhēng)，利用亞鐵作為電子供體促進(jìn)自身生長(zhǎng)（Edwards et al.，2000；Lueder et al.，2018）。在中性厭氧條件下，光合型亞鐵氧化微生物和硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物是氧化亞鐵的主要微生物（Lliros et al.，2015；Melton et al.，2012）。硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物因其無(wú)需依賴(lài)光源，在環(huán)境中分布廣泛，種類(lèi)眾多，一直受到研究者的廣泛關(guān)注（Schaedler et al.，2018）。

硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物首次發(fā)現(xiàn)于淡水沉積物中，隨后的研究發(fā)現(xiàn)這類(lèi)微生物普遍存在于河流、濕地、熱泉、稻田等中性厭氧環(huán)境中（Hu et al.，2017；Sorokina et al.，2012a；Straub et al.，1996）。關(guān)于硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物還原硝酸鹽和氧化亞鐵過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)亞鐵氧化后生成種類(lèi)繁多的礦物。這些礦物不僅游離于胞外，還可以附著在細(xì)胞表面或積聚于細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)造成細(xì)胞的結(jié)殼現(xiàn)象（Miot et al.，2008）。硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動(dòng)亞鐵氧化成礦的機(jī)制主要有兩個(gè)：（1）硝酸鹽的還原產(chǎn)物亞硝酸鹽與亞鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)亞鐵氧化成礦機(jī)制；（2）微生物直接氧化亞鐵的生物亞鐵氧化成礦機(jī)制。兩種成礦機(jī)制在微生物驅(qū)動(dòng)的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化過(guò)程中同時(shí)發(fā)生、互相影響，使亞鐵氧化成礦過(guò)程更加復(fù)雜（Carlson et al.，2012；Jamieson et al.，2018）。

相同的硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物在不同的培養(yǎng)條件下驅(qū)動(dòng)的亞鐵氧化成礦種類(lèi)和結(jié)晶度各有差異。前期的研究表明，溶液中的化學(xué)物質(zhì)組分、外源添加的礦物和微生物分泌的有機(jī)物對(duì)亞鐵氧化成礦具有重要的導(dǎo)向作用（Chatellier et al.，2004；Larese-Casanova et al.，2010；Pedrot et al.，2011）。此外，鐵氧化微生物在亞鐵氧化過(guò)程中形成礦物與細(xì)胞緊密結(jié)合，形成特有的結(jié)殼現(xiàn)象，對(duì)微生物的遷移和新陳代謝過(guò)程產(chǎn)生影響（Nordhoff et al.，2017）。關(guān)于硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)殼現(xiàn)象普遍存在于硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化過(guò)程，且結(jié)殼對(duì)不同的微生物影響并不相同（Kappler et al.，2005；Nordhoff et al.，2017）。

目前有關(guān)硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的研究中，主要關(guān)注微生物硝酸鹽還原或亞鐵氧化的過(guò)程及效應(yīng)，很少將成礦作為主要的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究。鑒于解析成礦過(guò)程和影響因素有助于進(jìn)一步理解微生物參與的元素地球化學(xué)循環(huán)和在環(huán)境治理方面的廣泛運(yùn)用前景，本文綜述了硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物氧化亞鐵成礦的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及其對(duì)微生物和環(huán)境的效應(yīng)。

1 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動(dòng)的不同形態(tài)的亞鐵氧化成礦

Straub et al.（1996）首次研究硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物時(shí)，發(fā)現(xiàn)溶解態(tài)的硫酸亞鐵添加后體系中出現(xiàn)鐵銹般的紅棕色沉淀，而加入黑色的固態(tài)硫化亞鐵后，黑色礦物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊S色。表1列舉了近 20年來(lái)部分用于研究亞鐵氧化成礦的硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物屬種、成礦種類(lèi)、成礦位置等。由表1可知，微生物可以氧化不同形態(tài)的亞鐵，主要分成三類(lèi)：溶解態(tài)的無(wú)機(jī)亞鐵、有機(jī)配體態(tài)的亞鐵和固態(tài)的亞鐵礦物。

溶解態(tài)的無(wú)機(jī)亞鐵如硫酸亞鐵和氯化亞鐵可以被大部分硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物氧化成礦。Benz et al.（1998）發(fā)現(xiàn)在Strain HidRe2作用下硫酸亞鐵被氧化并逐漸產(chǎn)生黃色沉淀；Li et al.（2014）分離到一株硝酸鹽還原亞鐵氧化菌 Citrobacter freundii PXL1，在添加氯化亞鐵的情況下發(fā)現(xiàn)體系中產(chǎn)生褐色沉淀；Zhang et al.（2015）在垃圾處理場(chǎng)的土壤中分離到一株硝酸鹽還原亞鐵氧化菌Pseudomonas sp. W1，在培養(yǎng)體系中添加硫酸亞鐵后，也發(fā)現(xiàn)有黃棕色沉淀產(chǎn)生。這些研究?jī)H從顏色變化判斷產(chǎn)生了三價(jià)鐵礦物，并未對(duì)礦物種類(lèi)進(jìn)行表征。Kluegleinet al.（2014）對(duì)Psedogulbenkiana sp.2002氧化亞鐵生成的礦物進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)生成的黃色沉淀為針鐵礦；而Azospira bacterium PS可以氧化氯化亞鐵生成黑色的磁鐵礦（Chaudhuri et al.，2001）。Miot et al.（2008）利用SEXM和XANES手段，檢測(cè)Acidovorax sp. BoFeN1氧化氯化亞鐵后生成的礦物，發(fā)現(xiàn)除了水鐵礦之外，還包括部分無(wú)定形磷酸鐵和磷酸亞鐵沉淀。一些研究還采用了穆斯堡爾譜技術(shù)表征體系中生成的礦物，發(fā)現(xiàn)除了結(jié)晶程度較好的三價(jià)鐵氫氧化物之外，無(wú)定形的三價(jià)鐵也占有一定的比重（Dippon et al.，2012）。

溶解態(tài)的亞鐵可以在鐵氧化微生物的外膜、周質(zhì)甚至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)發(fā)生氧化成礦（Hedrich et al.，2011）。前期研究發(fā)現(xiàn)，酸性、微氧型和光合型亞鐵氧化微生物可以將周質(zhì)和外膜生成的礦物通過(guò)有機(jī)物螯合或直接溶解等手段排出體外，防止細(xì)胞周質(zhì)和外膜沉淀礦物（Hegler et al.，2010；Kappler et al.，2004）。近期研究表明，添加溶解態(tài)的無(wú)機(jī)亞鐵之后，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的細(xì)胞表面和周質(zhì)都發(fā)現(xiàn)了礦物沉淀。如圖1所示，這些礦物緊密的包裹著細(xì)胞的外膜同時(shí)充斥在周質(zhì)內(nèi)，形成了特有的微生物結(jié)殼現(xiàn)象（Zeitvogel et al.，2017）。

圖1 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物（NRFO）驅(qū)動(dòng)的不同形態(tài)的亞鐵成礦過(guò)程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of mineralization processes driven by NO3--reducing Fe(Ⅱ)-oxidizing (NRFO) bacteria in the presence of different Fe(II) species

有機(jī)配體態(tài)的亞鐵和固態(tài)的二價(jià)鐵也可以在硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的參與下發(fā)生氧化，固態(tài)的二價(jià)鐵氧化還可以造成細(xì)胞的結(jié)殼，如圖1所示。研究發(fā)現(xiàn)Paracoccus ferrooxidans BDN-1可以氧化[Fe(Ⅱ)EDTA]2-，培養(yǎng)體系中并未在周質(zhì)或細(xì)胞外膜上發(fā)現(xiàn)結(jié)殼現(xiàn)象（Kumaraswamy et al.，2006）。其他報(bào)導(dǎo)的可以利用[Fe(Ⅱ)EDTA]2-或Fe(Ⅱ)-NTA等有機(jī)配體態(tài)亞鐵的微生物，在培養(yǎng)的過(guò)程中無(wú)論是溶液還是細(xì)胞內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)礦物的產(chǎn)生。有機(jī)配體態(tài)亞鐵難以進(jìn)入周質(zhì)，且生成溶解態(tài)的氧化產(chǎn)物，是細(xì)胞未結(jié)殼的主要原因（Chakraborty et al.，2011；Kopf et al.，2013）。固態(tài)的二價(jià)鐵也可以被硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物氧化成為新的礦物。Zhao et al.（2013）發(fā)現(xiàn)鐵還原微生物還原過(guò)后的綠脫石可以被Psedogulbenkiana sp.2002氧化并生成多種鐵氫氧化物；Acidovoraxsp.BoFeN1可以在溶解態(tài)亞鐵存在的情況下氧化固態(tài)的藍(lán)鐵礦（Miot et al.，2009）。氧化固態(tài)二價(jià)鐵礦物形成的礦物可以吸附到微生物表面造成細(xì)胞外膜的結(jié)殼，但固態(tài)的二價(jià)鐵并不能進(jìn)入周質(zhì)導(dǎo)致成礦發(fā)生。

表1 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動(dòng)的亞鐵氧化成礦研究匯總Table 1 Summary of studies on Fe(Ⅱ) mineralization processes driven by NRFO bacteria

由此可知，微生物介導(dǎo)的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦過(guò)程受多種因素共同影響，如微生物類(lèi)型、亞鐵形態(tài)和成礦位置等。此外，在不同反應(yīng)體系中，亞鐵氧化生成的不同種類(lèi)的礦物也由多種因素決定。

2 亞鐵氧化成礦過(guò)程的影響因素

在中性條件下，生物和化學(xué)作用都可以使亞鐵氧化生成礦物沉淀。由表1可知，已有的關(guān)于硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的研究中亞鐵氧化生成的礦物種類(lèi)繁多。目前普遍認(rèn)為，亞鐵氧化成礦種類(lèi)主要受溶液所含化學(xué)組分、外源添加物質(zhì)和微生物的影響（Chatellier et al.，2004；Larese-Casanova et al.，2010；Li et al.，2017a）。

Larese-Casanova et al.（2010）系統(tǒng)研究了不同緩沖液對(duì)Acidovorax sp. BoFeN1氧化亞鐵生成礦物種類(lèi)的影響，發(fā)現(xiàn)在Mops緩沖液中，亞鐵氧化后主要生成纖鐵礦，而在碳酸鹽緩沖液中，針鐵礦的比例顯著增加。Mops并不具有與亞鐵絡(luò)合的能力，亞鐵氧化生成的礦物主要為晶體邊對(duì)邊排列的纖鐵礦，而碳酸鹽離子易與亞鐵絡(luò)合，并會(huì)誘導(dǎo)礦物的晶體排列向尖對(duì)尖的排列發(fā)展，促進(jìn)針鐵礦的產(chǎn)生，這可能是造成礦物生成種類(lèi)不同的主要原因（Larese-Casanova et al.，2010）。相對(duì)于碳酸鹽，添加磷酸鹽并不會(huì)誘導(dǎo)礦物晶型改變。磷酸鹽往往與溶液中的亞鐵形成磷酸亞鐵沉淀，一方面造成溶液中溶解態(tài)亞鐵降低，影響亞鐵的氧化速率（Straub et al.，2004）；另一方面，磷酸亞鐵還可能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為藍(lán)鐵礦或綠銹，被亞硝酸鹽或微生物氧化形成新的三價(jià)鐵礦物（Etique et al.，2014；Pantke et al.，2012）。因此，溶液中的化學(xué)組分對(duì)礦物的形成具有重要的影響。

除溶液化學(xué)組分外，外源物質(zhì)的添加也會(huì)影響礦物的形成。研究發(fā)現(xiàn)，磁鐵礦的加入會(huì)誘導(dǎo)體系中產(chǎn)生新的磁鐵礦，這可能和磁鐵礦作為亞鐵成核位點(diǎn)有關(guān)，而針鐵礦的加入?yún)s并未引起礦物種類(lèi)的變化（Dippon et al.，2012）。有機(jī)物和重金屬如砷的添加對(duì)亞鐵氧化成礦的種類(lèi)影響不大，但影響形成礦物的結(jié)晶度。無(wú)論是有機(jī)物還是重金屬，很容易吸附在礦物表面，從而抑制礦物的繼續(xù)沉淀，這可能是造成礦物沉淀結(jié)晶度降低的主要原因（Hohmann et al.，2010；Larese-Casanova et al.，2010）。

微生物也是影響礦物種類(lèi)的主要原因。一方面，微生物的周質(zhì)和外膜內(nèi)含有豐富的官能團(tuán)，這些官能團(tuán)的作用與外源添加的有機(jī)物一樣能吸附礦物，從而抑制礦物的沉淀，最終導(dǎo)致亞鐵氧化生成的礦物結(jié)晶度低，這一現(xiàn)象在硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的周質(zhì)和外膜上吸附的礦物多為沒(méi)有規(guī)則并以無(wú)定形的三價(jià)鐵礦物為主得到直接體現(xiàn)（Dippon et al.，2012；Klueglein et al.，2014；Larese-Casanova et al.，2010）。另一方面，不同的微生物或者相同微生物不同添加量均會(huì)影響體系中亞鐵氧化的速率，而氧化速率越快，生成的礦物結(jié)晶度就越差（Senko et al.，2005）。

圖2 微生物介導(dǎo)的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦示意圖（A）化學(xué)亞鐵氧化成礦過(guò)程（B）生物亞鐵氧化成礦過(guò)程Fig. 2 Schematic diagram of Fe(Ⅱ) mineralization process driven by NRFO bacteria, (A) the chemical mineralization processes and (B) the biological mineralization processes

3 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動(dòng)的亞鐵氧化成礦機(jī)理

目前普遍認(rèn)為，在硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物培養(yǎng)體系中，存在兩種不同的亞鐵氧化方式：（1）微生物還原硝酸鹽的產(chǎn)物亞硝酸鹽誘導(dǎo)的化學(xué)亞鐵氧化；（2）微生物直接利用亞鐵作為電子供體由細(xì)胞中的鐵氧化酶誘導(dǎo)的生物亞鐵氧化。不同型態(tài)的亞鐵在上述兩種驅(qū)動(dòng)力的作用下，在周質(zhì)、細(xì)胞外膜和細(xì)胞內(nèi)發(fā)生氧化，形成種類(lèi)各異的礦物沉淀，如圖2所示。兩種亞鐵氧化成礦的方式同時(shí)發(fā)生、互相耦合，對(duì)體系中的亞鐵氧化成礦產(chǎn)生重要影響（Carlson et al.，2012；Jamieson et al.，2018）。近期Liu et al.（2018）通過(guò)同位素分餾和建立動(dòng)力學(xué)模型等手段，進(jìn)一步說(shuō)明硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物在氧化亞鐵時(shí)存在化學(xué)和生物兩種成礦機(jī)制。

3.1 硝酸鹽還原產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)的化學(xué)亞鐵氧化成礦

在中性厭氧條件下，亞鐵和硝酸鹽的反應(yīng)非常有限。雖然銅、部分鐵的氫氧化物、細(xì)胞表面等可以催化兩者之間的反應(yīng)，但在自然和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下，這些催化劑的濃度較低，對(duì)亞鐵和硝酸鹽的催化作用非常有限（Picardal，2012）。微生物還原硝酸鹽的初級(jí)產(chǎn)物是亞硝酸鹽，其易與溶解態(tài)的無(wú)機(jī)亞鐵反應(yīng)，除此之外，亞硝酸鹽還可以與吸附態(tài)、有機(jī)配體態(tài)和固態(tài)的亞鐵反應(yīng)生成可溶的三價(jià)鐵或鐵氫氧化物沉淀（Picardal，2012；Rakshit et al.，2016；Yan et al.，2015）。因此，微生物還原硝酸鹽產(chǎn)生亞硝酸鹽是促進(jìn)化學(xué)亞鐵氧化成礦的關(guān)鍵過(guò)程。

亞硝酸鹽主要由微生物體內(nèi)的硝酸鹽還原酶產(chǎn)生。在自然界或人工培養(yǎng)體系中，溶液中的硝酸鹽可以通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白穿過(guò)周質(zhì)到達(dá)細(xì)胞質(zhì)，內(nèi)膜上的Nar蛋白將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽后，亞硝酸鹽穿過(guò)內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)到周質(zhì)（Kuypers et al.，2018；Moreno-Vivián et al.，1999）。相對(duì)于有機(jī)配體態(tài)和固態(tài)的亞鐵，游離于胞外的溶解態(tài)無(wú)機(jī)亞鐵離子可以穿過(guò)細(xì)胞外膜，進(jìn)入細(xì)胞周質(zhì)與亞硝酸鹽發(fā)生反應(yīng)從而形成礦物沉淀（Carlson et al.，2013）。目前尚未發(fā)現(xiàn)硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物具有周質(zhì)礦物外排能力，因此周質(zhì)內(nèi)的礦物沉淀逐漸積累，最終造成周質(zhì)的結(jié)殼現(xiàn)象（Miot et al.，2008；Schmid et al.，2014b）。也有研究認(rèn)為亞鐵還可以進(jìn)一步穿過(guò)細(xì)胞內(nèi)膜與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的亞硝酸鹽發(fā)生反應(yīng)（Klueglein et al.，2014）。轉(zhuǎn)運(yùn)到周質(zhì)內(nèi)的亞硝酸鹽，一部分與溶解態(tài)無(wú)機(jī)亞鐵反應(yīng)成礦，一部分被周質(zhì)內(nèi)的亞硝酸鹽還原酶如 Nir還原成一氧化氮等產(chǎn)物，還有一部分可以穿過(guò)細(xì)胞外膜進(jìn)入到溶液中（Kuypers et al.，2018）。

溶解態(tài)、有機(jī)配體態(tài)和固態(tài)的亞鐵都可以在胞外與周質(zhì)內(nèi)排出的亞硝酸鹽發(fā)生反應(yīng)（Picardal，2012）。固態(tài)的亞鐵有兩個(gè)來(lái)源，一是直接外源添加，二是溶解態(tài)的亞鐵與溶液中的碳酸鹽、磷酸鹽甚至維生素等化學(xué)組分發(fā)生反應(yīng)生成二價(jià)鐵沉淀（Miot et al.，2009）。無(wú)論是溶解態(tài)的無(wú)機(jī)亞鐵還是固態(tài)的亞鐵，其與亞硝酸鹽反應(yīng)生成的礦物沉淀表面均具有較高的零點(diǎn)電荷，從而易吸附于微生物表面，造成微生物表面的結(jié)殼現(xiàn)象（Posth et al.，2010）。有機(jī)配體態(tài)的亞鐵如[Fe(Ⅱ)EDTA]2－與亞硝酸鹽的反應(yīng)產(chǎn)物為溶解態(tài)的[Fe(Ⅱ)EDTA]-，因此有機(jī)配體態(tài)亞鐵的添加可以防止體系中產(chǎn)生礦物沉淀（Klueglein et al.，2015）。

3.2 微生物鐵氧化酶驅(qū)動(dòng)的生物亞鐵成礦

在環(huán)境中，硝酸鹽和亞鐵很難發(fā)生反應(yīng)，但從熱力學(xué)角度分析，兩者反應(yīng)生成針鐵礦的吉布斯自由能為-96.23 kJ·mol-1。因此，在理論上，微生物利用亞鐵電子進(jìn)行硝酸鹽還原并不存在能量障礙（Laufer et al.，2016）。Weber et al.（2006）發(fā)現(xiàn)Psedogulbenkiania sp. 2002可以在不添加有機(jī)物的情況下氧化溶液中的亞鐵；Zhao et al.（2013）也發(fā)現(xiàn)在不含有機(jī)物的條件下添加此類(lèi)微生物，體系中的亞鐵和硝酸鹽逐漸被消耗，這表明很可能是微生物直接利用了體系中的亞鐵。在有機(jī)物和亞鐵共存的體系中，Kopf et al.（2013）成功通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型的手段研究證明，化學(xué)作用并不能有效解釋體系中有機(jī)配體態(tài)亞鐵的消耗；Liu et al.（2018）通過(guò)計(jì)算體系中乙酸鈉和硝酸鹽之間的電子平衡也發(fā)現(xiàn)，理論上微生物僅利用乙酸鈉進(jìn)行硝酸鹽還原的量與體系中實(shí)際的硝酸鹽消耗量并不匹配。這些結(jié)果表明，微生物很可能利用了亞鐵的電子進(jìn)行硝酸鹽的還原。

硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的細(xì)胞外膜和周質(zhì)內(nèi)存在相應(yīng)的鐵氧化酶，在氧化不同形態(tài)的亞鐵形成礦物的同時(shí)，亞鐵的電子用于硝酸鹽的還原和微生物生長(zhǎng)（Carlson et al.，2012）。細(xì)胞色素C作為一種典型的鐵氧化蛋白已經(jīng)在多種硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物中被發(fā)現(xiàn)（Ilbert et al.，2013）。Weber et al.（2009）和 Chaudhuri et al.（2001）利用原位分析的方法測(cè)試微生物懸液光譜，發(fā)現(xiàn)存在典型的細(xì)胞色素C光譜，加入亞鐵之后細(xì)胞色素C發(fā)生還原，這一現(xiàn)象可能是細(xì)胞色素C接受溶液中亞鐵的電子而產(chǎn)生的。此外，Liu et al.（2018）在A(yíng)cidovorax sp. BoFeN1的胞外聚合物中也發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素C的存在，并發(fā)現(xiàn)其可以和亞鐵快速反應(yīng)。這些結(jié)果表明，細(xì)胞色素C可能廣泛存在于硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物體內(nèi)，在微生物直接利用鐵氧化酶氧化亞鐵過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。He et al.（2017）通過(guò)分析大量鐵氧化微生物的基因后發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物中可能存在多種亞鐵電子傳遞鏈，相應(yīng)的酶如細(xì)胞色素C鑲嵌在外膜或存在于周質(zhì)和內(nèi)膜，從而對(duì)微生物胞外和周質(zhì)內(nèi)的亞鐵氧化起到重要的作用。

4 亞鐵氧化成礦對(duì)微生物的影響

亞鐵氧化生成的礦物具有較高的零點(diǎn)電荷，很容易吸附于帶負(fù)電的細(xì)胞表面，造成細(xì)胞的結(jié)殼（Posth et al.，2010；Kappler et al.，2005）；周質(zhì)內(nèi)生成的礦物，也因無(wú)法排出或溶解造成周質(zhì)內(nèi)的結(jié)殼（Muehe et al.，2009）。酸性、微氧型及光合型鐵氧化微生物均被發(fā)現(xiàn)有相應(yīng)的機(jī)制防止細(xì)胞表面或周質(zhì)產(chǎn)生結(jié)殼，如于胞外分泌有機(jī)質(zhì)隔離沉淀礦物，保持細(xì)胞表面電中性以減小礦物吸附，甚至可以通過(guò)降低細(xì)胞表面的pH使礦物溶解（Hegler et al.，2010；Wu et al.，2014）。然而，目前尚未在硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物中發(fā)現(xiàn)防止結(jié)殼產(chǎn)生的機(jī)制，而結(jié)殼現(xiàn)象的普遍發(fā)生，對(duì)微生物產(chǎn)生了重要的影響。

亞鐵氧化生成的結(jié)殼，可以對(duì)微生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，在僅以有機(jī)物作為電子供體時(shí)，部分硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物可以正常生長(zhǎng)，然而加入亞鐵之后，微生物的表面和周質(zhì)內(nèi)很快發(fā)生了嚴(yán)重的結(jié)殼現(xiàn)象，同時(shí)體系中硝酸鹽和有機(jī)物消耗明顯降低甚至停止，微生物的生長(zhǎng)受到了抑制（Li et al.，2017a；Hu et al.，2017）。結(jié)殼作為微生物亞鐵氧化的產(chǎn)物，一方面緊密的包裹細(xì)胞，影響微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和有害物質(zhì)的排放，甚至降低微生物的移動(dòng)性，使微生物的生存面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)（Kappler et al.，2005；Chen et al.，2018）；另一方面，結(jié)殼還會(huì)包裹微生物功能蛋白造成相應(yīng)蛋白的失活，影響微生物的新陳代謝，例如，在周質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的結(jié)殼可以包裹亞硝酸鹽還原酶Nir，導(dǎo)致亞硝酸鹽的還原受到限制從而大量積累（Chakraborty et al.，2013a）。

雖然硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物不能防止結(jié)殼產(chǎn)生，但部分微生物可以通過(guò)分泌胞外聚合物（EPS）減少結(jié)殼對(duì)微生物的影響。Acidovorax sp.BoFeN1在不添加亞鐵的情況下，微生物表面附著的EPS較少，而亞鐵的加入顯著促進(jìn)了微生物EPS的分泌（Schmid et al.，2014a）。EPS分泌增多后微生物同樣會(huì)產(chǎn)生結(jié)殼現(xiàn)象，但與胞外形成的體積大的礦物沉淀相比，微生物表面附著的礦物粒徑較小，對(duì)微生物的包裹程度有所降低（Klueglein et al.，2014）。其他研究此種微生物的結(jié)果也表明，微生物產(chǎn)生的結(jié)殼雖然造成了部分細(xì)胞的死亡，但大部分微生物的生命活動(dòng)并未受到明顯的抑制作用，可能是EPS降低了結(jié)殼對(duì)微生物影響的結(jié)果（Muehe et al.，2009）。然而通過(guò)分泌EPS降低結(jié)殼的影響在硝酸鹽還原微生物中是否普遍，微生物還存在哪些可以抑制結(jié)殼的機(jī)制，有待開(kāi)展更多的研究。

近期研究發(fā)現(xiàn)，添加有機(jī)配體態(tài)的亞鐵或低濃度的亞鐵，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物并未產(chǎn)生結(jié)殼現(xiàn)象，且亞鐵的添加促進(jìn)了微生物的生命活動(dòng)（Chakraborty et al.，2011；Peng et al.，2018）。另外，Straub et al.（1996）發(fā)現(xiàn)富集的硝酸鹽還原亞鐵氧化群落 Culture KS不僅可將氧化亞鐵用于自養(yǎng)生長(zhǎng)，微生物表面及周質(zhì)也未發(fā)生結(jié)殼現(xiàn)象（Nordhoff et al.，2017）。一方面，相對(duì)于Culture KS群落，單菌的反硝化基因可能并不完善，因而體系中產(chǎn)生的亞硝酸鹽更容易積聚，從而與亞鐵反應(yīng)造成細(xì)胞結(jié)殼；另一方面，在 Culture KS群落中，Gallionellaceae sp.可以分泌 EPS并供給其他微生物，這些EPS對(duì)其他微生物的能源供應(yīng)和抑制結(jié)殼可能產(chǎn)生了重要的作用（He et al.，2017）。

5 環(huán)境意義

亞鐵氧化過(guò)程是地球鐵循環(huán)的重要組成部分，在中性厭氧的條件下，錳等金屬氧化物和無(wú)機(jī)組分對(duì)亞鐵的氧化能力有限。如圖3所示，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動(dòng)的亞鐵氧化成礦過(guò)程補(bǔ)充了環(huán)境中消耗的三價(jià)鐵，對(duì)重金屬的固定和污染物的降解具有重要作用。

圖3 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物氧化亞鐵成礦的環(huán)境意義Fig. 3 Environmental implications of Fe(Ⅱ) mineralization processes driven by NRFO bacteria

利用鐵的氫氧化物的吸附或共沉淀作用去除環(huán)境中的重金屬是降低重金屬污染的有效措施（Borch et al.，2010）。Hohmann et al.（2010）發(fā)現(xiàn)，Acidovorax sp. BoFeN1不僅對(duì)五價(jià)和三價(jià)砷有較高的耐受能力，且亞鐵氧化生成的針鐵礦對(duì)兩種價(jià)態(tài)的砷都具有良好的吸附性能，通過(guò)固定砷降低砷污染。在Psedogulbenkiana sp. 2002培養(yǎng)體系中，砷主要吸附在微生物和礦物的聚集體上，增加鐵和砷比例可以增加砷的去除效率（Xiu et al.，2016）。近期Wang et al.（2018）也發(fā)現(xiàn)，在水稻土中添加亞鐵和硝酸鹽可以顯著降低水稻和土壤中砷的濃度，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物可能在砷的去除過(guò)程中扮演著重要的角色。除了固定重金屬砷以外，微生物還原硝酸鹽氧化亞鐵的過(guò)程中形成的礦物-微生物聚合體對(duì)鎘、鉛、鎳和鋅等重金屬也有顯著的固定效果（Li et al.，2017b）。

鐵氧化微生物氧化亞鐵生成的三價(jià)鐵礦物，是鐵還原微生物良好的電子受體（Miot et al.，2016）。微生物在促進(jìn)鐵循環(huán)的過(guò)程中，也會(huì)對(duì)污染物的降解產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，在鐵還原微生物和硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物共存的條件下，鐵氧化微生物可以還原硝酸鹽，而鐵還原微生物可以利用有機(jī)污染物如苯甲酸作為電子供體，將其還原成二氧化碳和水。三價(jià)鐵礦物和溶解態(tài)亞鐵相互轉(zhuǎn)變，使體系中硝酸鹽和苯甲酸得以持續(xù)降解（Straub et al.，2004）。

6 展望

本文主要綜述了微生物介導(dǎo)的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦的產(chǎn)生與效應(yīng)。現(xiàn)有研究表明：微生物介導(dǎo)的硝酸鹽還原亞鐵氧化過(guò)程中，微生物可以通過(guò)直接（如鐵氧化酶作用）或間接（如硝酸鹽還原產(chǎn)物化學(xué)作用）兩種不同的氧化方式氧化不同形態(tài)的亞鐵形成Fe(Ⅲ)礦物沉淀。成礦過(guò)程可能與以下生物地球化學(xué)過(guò)程有關(guān)：造成細(xì)胞的結(jié)殼現(xiàn)象從而抑制微生物的生命活動(dòng)；為鐵氧化菌提供良好電子受體；吸附或共沉淀有毒有害重金屬?gòu)亩Ｗo(hù)環(huán)境。因此，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動(dòng)的亞鐵氧化成礦過(guò)程，聯(lián)系著地球上各個(gè)圈層的變化和污染物降解，對(duì)研究元素地球化學(xué)循環(huán)，維持生態(tài)系統(tǒng)的有序循環(huán)，污染治理等具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。盡管這一過(guò)程的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍有許多問(wèn)題需要我們持續(xù)關(guān)注。

（1）硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物體系中，存在著化學(xué)和生物兩種亞鐵氧化成礦機(jī)制，兩種機(jī)制同時(shí)發(fā)生，互相耦合。因此如何解析兩種不同的反應(yīng)機(jī)制？如何定量評(píng)估兩種機(jī)制生成礦物沉淀的相對(duì)貢獻(xiàn)？同位素技術(shù)作為一種被廣泛應(yīng)用于元素地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程研究的手段，對(duì)研究硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物體系的亞鐵氧化過(guò)程具有重要的應(yīng)用前景，可能是區(qū)分不同亞鐵氧化成礦的有效手段。

（2）目前的研究多關(guān)注亞鐵氧化成礦的最終產(chǎn)物，對(duì)礦物生成過(guò)程和轉(zhuǎn)化機(jī)制缺乏研究。應(yīng)該從微觀(guān)的角度進(jìn)行分析，在簡(jiǎn)單的礦物表征基礎(chǔ)上，結(jié)合礦物學(xué)、固體物理學(xué)等學(xué)科，交叉運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和手段闡明亞鐵-三價(jià)鐵礦物的產(chǎn)生過(guò)程和轉(zhuǎn)化機(jī)制。

（3）微生物亞鐵氧化的結(jié)殼現(xiàn)象對(duì)微生物的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用，但此類(lèi)微生物在環(huán)境中仍然普遍存在。環(huán)境中的多變的亞鐵濃度、豐富的有機(jī)質(zhì)、復(fù)雜的微生物組成可能是硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物規(guī)避結(jié)殼的重要機(jī)制，這需要我們結(jié)合自然環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室研究作進(jìn)一步的分析。

（4）微生物介導(dǎo)的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦的過(guò)程為環(huán)境提供了豐富的三價(jià)鐵礦物，這些礦物具有較高的生物利用性和巨大的比表面積，可以有效促進(jìn)污染物的降解、重金屬的吸附和共沉淀。如何有效利用這些過(guò)程和機(jī)制進(jìn)行高效的環(huán)境治理需要進(jìn)一步探索。