田瑩瑩,師東陽,王 強

(1.河南工學院 材料科學與工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南大學 作物逆境適應與改良國家重點實驗室，河南 開封 475004)

0 引 言

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表1 厭氧條件下生成30N2和29N2的潛在反應過程Tab.1 The potential reactions anaerobically to 30N2 and 29N2

1 鐵氨氧化過程中的電子傳遞

異化鐵還原菌(FeRB)是Feammox反應中的一類關鍵微生物,它們具有氧化有機或無機物同時還原Fe(III)成Fe(II)的能力.廣泛報道的有地桿菌(Geobacter)、希瓦氏菌(Shewanella)、厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)和酸微菌(Acidimicrobiaceae A6)等[16-17].此外,富集培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)脫硫孢子菌(Desulfosporosinus)、脫氯單胞菌(Dechloromonas)及纖發(fā)菌(Geothrix)也對Feammox反應極為重要[5].已報道的微生物Feammox反應胞外電子傳遞機制主要有以下4種:

1) 微生物與Fe(III)直接接觸. 電子傳遞至微生物外膜表面之后,最直接的是,外膜細胞色素c(c-Cyts)與Fe(III)礦物直接接觸.以Shewanella屬為例,處于細胞膜最外端的MtrC和OmcA蛋白直接負責了電子向膜外電子受體的傳遞.缺少MtrC和OmcA,電子傳遞過程則被阻斷[18-19].在Geobacter屬中,影響c-Cyts與固態(tài)電子受體直接接觸傳遞電子的蛋白是OmcZ,若缺失后,也將阻斷電子傳遞[20](圖1(a)).

2) 微生物自身納米導線. 2005年,Reguera等[21]在Geobacter屬中發(fā)現(xiàn)一種攜帶OmcS蛋白的導電纖毛狀物質(zhì),稱其為納米導線(Nanowire),在S.oneidensisMR-1、藍細菌等其他菌屬中也發(fā)現(xiàn)了類似的納米導線[22].學者們認為通過納米導線進行胞外呼吸的方式很可能是元素生物地球化學循環(huán)中的一種普遍現(xiàn)象,這種方式在微生物與礦物之間起著不可忽視的作用.Geobacter和Shewanella是兩類重要的胞外呼吸模式菌，雖都有納米導線但結構上存在差異.Geobacter產(chǎn)生的納米導線截面具有很強的導電性,傳遞微生物胞外電子并延長了呼吸電子傳遞的距離以代謝遠端的礦物[21].Shewanella的納米導線本質(zhì)上是細胞外膜與周質(zhì)向外延伸的一種形式,雖不具電導性,但電子可以在納米導線表面附著的密集c-Cyts之間躍遷傳遞,是一種多級電子躍遷的導電機制[23-24](圖1(b)).此外,胞外呼吸菌集聚形成生物膜,其具有的納米導線交織在一起形成納米導線網(wǎng)絡,也能夠促進胞外電子的傳遞(圖1(c)).

圖1 微生物參與鐵氨氧化的電子傳遞機制Fig.1 Mechanisms of electron transfer in microbes

3) 螯合促溶機制. 一些分子或離子可作為溶鐵螯合劑,與Fe(III)氧化物形成可溶性螯合鐵,擴散至微生物表面,使Fe(III)被胞外電子還原(圖1(d)).螯合劑的存在一方面可增加反應體系中生物可利用Fe(III)的濃度;另一方面還可以提高Fe(III)與鐵還原菌直接接觸的幾率,從而提高鐵還原的速率.自然界中除存在多種溶鐵螯合物外,有些微生物也能分泌螯合物,如高鐵載體(Siderphores),螯合增溶鐵.Siderphores含有多種含氧配體,通常對鐵離子有很高的親和力.研究表明,植物根際微生物可通過Siderphores途徑促進植物吸收Fe元素[25]。Geothrixfermentans和ShewanellaalgaBrY分泌的Fe(III)螯合物,較大程度上加速Fe(III)氧化物的溶解,進而促進Fe(III)還原[26].某些FeRB分泌胞外聚合物(EPSs),促進還原含鎘聚合硫酸鐵絮體中的Fe(III),使得絮體解構,釋放Fe3+、Fe2+及Cd2+,Fe原子與EPSs中磷酸化蛋白質(zhì)和核酸中的磷酸基形成P-O-Fe鍵,固定和聚集溶液中的Fe(III)、Fe(II),促進形成纖鐵礦,磁鐵礦等鐵礦物,依靠鐵礦物豐富的羥基官能團,增強了對溶液中Cd2+的吸附[27].螯合鐵種類影響Feammox脫氮效能及微生物群落組成,腐殖酸-鐵較檸檬酸-鐵、乙二胺四乙酸-鐵、氨三乙酸-鐵總氮去除率最高,達83.2%,優(yōu)勢Comamonadaceae豐度約為17.57%[28].螯合物的存在改變了環(huán)境中Fe的存在狀態(tài),促進了Fe及其他元素的循環(huán)[28],對整個生物圈有重要影響,但螯合物在環(huán)境中可能受到其他物質(zhì)或微生物的影響,使其作用力減弱,對不溶性Fe(III)的增溶減少.

4) 微生物利用電子穿梭體實現(xiàn)電子傳遞. 環(huán)境中大量存在著氧化還原活性的有機物(如可溶態(tài)或固態(tài)腐殖酸、醌類、抗生素等)都可以作為“電子穿梭體”.微生物氧化呼吸產(chǎn)生的胞外電子首先傳遞給“電子穿梭體”,然后“電子穿梭體”擴散到含鐵礦物表面,并將電子傳遞給Fe(III),同時還原態(tài)的“電子穿梭體”得到氧化(圖1(e)).研究發(fā)現(xiàn),某些微生物還能在自身代謝過程中分泌多樣的氧化還原活性物質(zhì)作為電子穿梭體參與胞外電子傳遞,如Von Canstein 等[29]首次確認Shewanella菌株能夠向胞外分泌黃素單核苷酸(FMN)和核黃素促進 MR-1 的厭氧生長和對弱結晶鐵氧化物的還原.Wang等[30]認為,微生物產(chǎn)生的FMN可能在其還原Fe(III)氧化物的過程中發(fā)揮多重作用:(1)作為MtrC的輔因子促進向鐵氧化物(纖鐵礦、赤鐵礦和針鐵礦)傳遞電子;(2)在還原纖鐵礦時作為Mtr路徑的電子穿梭體;(3)在還原赤鐵礦和針鐵礦時作為一種“非反應活性”的電子匯.Okamoto等[31-32]指出 MR-1分泌的黃素分子并非以游離狀態(tài)發(fā)揮作用,而是作為c-Cyts的氧化還原輔因子促進電子傳遞.黃素與c-Cyts的相互作用促進了通過半醌進行的一電子氧化還原反應,形成結合于MtrC的氧化還原電勢為-145 mV的半醌(FMNH),反應速率較游離態(tài)黃素的兩電子氧化還原反應快103～105倍.除此之外,一電子傳遞機制對于核黃素同樣適用,只不過核黃素分子結合的是外膜上的另一種細胞色素OmcA而非MtrC.Geobactersulfurreducens也能夠分泌FMN和核黃素等黃素類分子,且黃素也作為輔因子通過結合于G.sulfurreducens的c-Cyts而參與胞外電子傳遞過程[33].

上述四種胞外電子傳遞機制是Feammox反應中重要的微生物金屬呼吸方式。目前，有關螯合劑的特性及其與電子穿梭的差異還有待進一步研究.

2 厭氧鐵氨氧化的環(huán)境學意義

2.1 參與農(nóng)田土壤氮轉化

2.2 影響水生態(tài)系統(tǒng)脫氮

2.3 處理廢水和污泥

3 鐵氨氧化的影響因素

3.1 生物因素

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圖2 鐵氨氧化與其它生物過程的耦合反應[40,47,52] Fig.2 The coupled reactions of Feammox with other biological process

自然環(huán)境中元素耦合循環(huán)的機制十分復雜.目前，已報道的可能影響Feammox的微生物過程概括如圖2.今后基于高通量測序、功能預測和純培養(yǎng)技術等對環(huán)境中微生物進行定性分析、定量分析、功能預測和生理研究等的工作還有待進一步完善.

3.2 非生物因素

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4 總結與展望

Feammox是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種微生物脫氮過程.雖然學者們對Feammox在多種生態(tài)系統(tǒng)和污廢水處理體系中的重要作用等方面已積累了一定的研究基礎，但已有研究主要關注的是Feammox菌群在特定環(huán)境下的分布情況，對Feammox菌群與環(huán)境中其他功能微生物物種間的潛在相關關系了解甚少。今后，要基于宏基因組測序技術和生物信息學軟件深度挖掘特定生態(tài)系統(tǒng)或體系中的關鍵微生物，并將關鍵微生物與其執(zhí)行的生態(tài)功能(如氨氧化、碳固定、反硝化等)同分析。對關鍵微生物的生理特性研究也不容忽視。采用傳統(tǒng)的微生物分離和純化技術,獲得Feammox純菌株，通過室內(nèi)模擬實驗，完善純菌生理和生化特性，深入探究純培養(yǎng)和混合培養(yǎng)條件下Feammox菌的脫N能力、發(fā)生機制和各成員間的生態(tài)關系等對生態(tài)環(huán)境學科發(fā)展具有推動作用。此外,自然環(huán)境中Fe的氧化還原往往可與生境內(nèi)的本身存在多種其它元素(如Mn、P、S、C等)存在耦合，可能促進或抑制Feammox活性，因此，查明復雜環(huán)境中Feammox的反應效能和作用機制也將是一項重要課題.最后,Feammox作為新近發(fā)現(xiàn)的一種微生物過程其機理和應用研究方興未艾.