基本信息
- 项目名称：
- 渤海不同海区沉积物中异化铁还原能力探讨
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本实验以采自渤海不同水质海区的海底沉积物为供试材料，通过添加不同碳源的恒温厌氧培养试验，测定了培养过程中Fe(II)浓度的变化，利用化学动力学方法探讨了其铁还原特征参数变化。
- 详细介绍：
- 异化铁还原过程对厌氧环境中有机物的代谢及一些无机物的形态转化具有很强的影响，在受污染的含水土层中它们也可以作为污染物氧化的电子受体而使有机污染物降解，强化环境污染的生物修复。本实验以采自渤海不同水质海区的海底沉积物为供试材料，通过添加不同碳源的恒温厌氧培养试验，测定了培养过程中Fe(II)浓度的变化，利用化学动力学方法探讨了其铁还原特征参数变化。研究获得以下主要结果：（1）渤海沉积物的微生物群落利用4种不同碳源时，其铁还原能力表现为：葡萄糖＞丙酮酸盐＞乳酸盐＞乙酸盐，葡萄糖和丙酮酸盐可作为沉积物中铁还原的优势碳源；（2）不同水质海区的沉积物中微生物群落还原铁的能力具有一定区别，I类~III类水质海区沉积物的铁还原速率较大，IV类水质海区沉积物的反应速率明显减小；最大反应速率对应的时间表现为I类和II类海区沉积物中较小，而III类和IV类水质海区沉积物变大；（3）在以葡萄糖为电子唯一供体进行铁还原培养时，其反应体系内的pH值随着培养过程进行有明显的降低，而此时的铁还原迅速。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 鉴于陆域水体污染可能对近海水质产生影响，探讨近海水体的自净化能力已成为海洋环境保护的热点之一。铁还原微生物对厌氧沉积环境中无机及有机污染物的去毒和降解具有重要作用。通过研究海洋沉积物中铁还原潜势的变化，间接表征海洋水体对污染物的净化功能。本研究以渤海不同水质海区沉积物为供试材料，厌氧恒温培养，对在不同碳源条件下微生物铁还原能力进行比较，说明不同水质海区沉积物中铁还原微生物铁还原活性变化特征。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究的科学性体现在通过对渤海不同水质海区沉积物中异化铁还原能力的比较，进一步明确水质状况与沉积物中异化铁还原的关系。研究的特色表现为采用微生物铁还原能力作为判别水体污染修复能力的指标，抓住了厌氧沉积环境中生物学变化过程的典型问题。另外，通过对不同碳源利用条件（葡萄糖、丙酮酸盐、乳酸盐和乙酸盐作为惟一碳源）下铁的微生物还原特征分析，可以为沉积物中铁还原微生物的碳源利用潜能提供必要的理论依据。
应用价值和现实意义
- 厌氧环境，铁氧化物的还原是很重要的生物学过程，具有重要地球化学意义。其具有强大的代谢能力，可还原多种有害金属、类金属以及放射性核素，并可利用许多有机污染物，在环境的生物修复中表现出很大的优势。而且其在开发新生物电池中具有很大潜力。系统开展铁还原微生物特性的研究，对于阐明海底沉积物中氧化铁的微生物还原机理、认识异化铁还原在生态系统中的重要作用，促进污染物的转化与修复具有重要的理论和实际意义。
学术论文摘要
- 异化铁还原过程对厌氧环境中有机物的代谢及一些无机物的形态转化具有很强的影响，在受污染的含水土层中它们也可以作为污染物氧化的电子受体而使有机污染物降解，强化环境污染的生物修复。本研究以采自渤海不同水质海区的海底沉积物为供试材料，通过添加不同碳源的恒温厌氧培养试验，测定了培养过程中Fe(II)浓度的变化，利用化学动力学方法探讨了其铁还原特征参数变化。研究获得以下主要结果：（1）渤海沉积物的微生物群落利用4种不同碳源时，其铁还原能力表现为：葡萄糖＞丙酮酸盐＞乳酸盐＞乙酸盐，葡萄糖和丙酮酸盐可作为沉积物中铁还原的优势碳源；（2）不同水质海区的沉积物中微生物群落还原铁的能力具有一定区别，I类-III类水质海区沉积物的铁还原速率较大，IV类水质海区沉积物的反应速率明显减小；最大反应速率对应的时间表现为I类和II类海区沉积物中较小，而III类和IV类水质海区沉积物变大；（3）在以葡萄糖为电子唯一供体进行铁还原培养时，其反应体系内的pH值随着培养过程进行有明显的降低，而此时的铁还原迅速。
获奖情况
- 作品于2010年获得“西北农林科技大学大学生科技创新校级一般项目优秀项目”称号 作品于2011年获得“西北农林科技大学挑战杯”校级二等奖
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- Mc Kay DS, Gibson EK, Thomas Keprta T Jr, et al. Search for past life on Mars: possible reliobiogenic activity in martian meteorite ALH84001.Science, 1996, 273:924-930. 易维洁,贺江舟,曲东. 不同水稻土微生物群落利用有机酸的铁还原特征.西北农林科技大学学报（自然科学版）, 2008，36(6): 940 - 945. 赵佳佳，易维洁，曲东. 渤海沉积物中氧化铁的异化还原特征. 农业环境科学学报，2010，29（9）：1789-1794 Cornell R M, Schwertmann U.2003.The iron oxides: structures, properties, reactions, occurrences and uses, weinheim: Wiley-VCH.703.
同类课题研究水平概述
- 有关铁的微生物还原在国外研究的比较早，在二十世纪80年代后期到90年代出现了大量有关铁还原微生物分离纯化的研究综述。现阶段对铁还原微生物的分离、纯化、鉴定以及生理代谢和铁还原机理的研究一直是异化铁还原研究中的热点。目前针对异化Fe(III)还原微生物的分离和培养，国外已经有比较成熟的方法，加之分子生物学方法和技术的迅猛发展，使得对异化Fe(III)还原微生物的认识越来越清晰，异化Fe(III)还原微生物的系统分类也逐渐开始完善。迄今，研究人员从各种厌氧环境中分离得到了种类不同的异化Fe(III)还原微生物。有关异化Fe(III)还原的研究，国外从20世纪70—80年代已经开始，至今在Fe(III)还原微生物的分离、分类、生理代谢、以及系统进化方面做了大量有影响的原创性工作，而这些研究成果多数出自于Lovley实验室。该实验室目前将异化Fe(III)还原的研究定位在微生物基因组及系统生物学、微生物电池、生物修复及极端微生物4个方面，注重的是基础研究，以及在能源、环境等领域具有重要应用价值的前沿性研究。国内对于研究异化铁还原的进展比较缓慢，主要一些关于水稻土中的异化铁的机制的研究。曲东等人发现，向厌氧培养的水稻土中添加外源水铁矿可促进Cr(VI)的还原解毒，在这一过程中Cr(VI)的还原是由Fe(II)提供电子的。此外曲东发现向水稻土中添加Fe(III)氧化物可强烈抑制甲烷的产生，不同Fe(II)氧化物对产甲烷的抑制程度不同，这和它们被微生物还原的难易程度有关。2007年王伟民，曲东等人对水稻土中铁还原菌进行分离纯化，比较不同培养基的分离效果，研究不同菌株的铁还原特征。国内有关异化Fe(III)还原的研究，从2000年前后才开始，处于起步阶段。有关异化铁还原过程的研究一直较少，主要集中在水稻土模式系统上。主要围绕着污染环境的生物修复，研究了Fe(III)还原抑制甲烷气体产生的机理，Fe(III)还原对水稻土中磷素形态的影响，并针对Fe(III)还原的调控做了一些工作。研究内容涉及到水稻土中异化铁还原的潜势和特征，水稻土中异化铁还原过程中碳的代谢特征，异化铁还原对甲烷生成的抑制机理，异化铁还原对水稻土中营养元素有效性及变价重金属元素（Cr、As）形态转化的影响等方面。总体上研究水平仍处在起步阶段，从理论上还亟待进一步深入。
