针铁矿生物/非生物还原解离动力学特征及其对4-硝基苯乙酮的生物降解作用研究

论文摘要

本文以希瓦氏金属还原菌（Shewanella decolorationis S12）、针铁矿（goethite）、4-硝基苯乙酮为研究对象,探讨了针铁矿的生物/非生物还原解离特征和4-硝基苯乙酮在“针铁矿-微生物”多相界面的微生物还原降解动力学特征以及氧化还原中介体2-磺酸钠蒽醌（AQS）对上述反应过程的影响。结果表明,AQS的加入使4-硝基苯乙酮的还原降解速率以及针铁矿的还原解离速率均得到显著的提高。其中,在针铁矿的生物解离实验中,在添加AQS的0.5mM针铁矿体系中,厌氧培养38天后,被还原解离出的Fe（??）浓度是未添加AQS的394%;针铁矿的归一化还原速率表明,当电子供体浓度一定时,随着针铁矿浓度增加,针铁矿的还原酶促反应显著减弱。米氏拟合方程表明,以不同浓度的针铁矿为底物时,S12菌--针铁矿相互作用过程的拟合相关系数R2分别为0.843（添加AQS）和0.998（未添加AQS）,电子转移载体的存在以及底物类型的不同均对Vm ax和K m值均有一定程度的影响。微生物在还原针铁矿过程中,其还原速率越大,用于ATP合成所需能量?E值也随之升高,S12菌和针铁矿的还原反应达到平衡时,Gibbs自由能变化（ ?G r）达最大值。针铁矿非生物还原解离实验的结果表明:在没有氧化还原中介体（AQS）的参与下,针铁矿的非生物还原作用十分微弱;AQS加入体系后,针铁矿的非生物还原程度在经历一定的反应时间后显著加剧,且还原过程中生成的解离态Fe（??）含量随时间的变化趋势符合典型的SLogistic曲线特征。SLogistic拟合结果表明:一定电子供体浓度下,不同浓度针铁矿的非生物还原Slogistic模型拟合的校正R2系数（Adj. R- Square）在0.9880.992之间。当针铁矿浓度维持为一恒定值时,电子供体浓度不足的情况下,针铁矿的非生物还原的SLogistic曲线特征较弱,当电子供体浓度充足的条件下,Slogistic模型拟合的校正R2系数可高达0.990。因此,电子供体和针铁矿浓度以及氧化还原中介体AQS的参与对Slogistic模型拟合参数均有一定的影响。4-硝基苯乙酮的生物解离动力学实验的结果表明,4-硝基苯乙酮微生物还原降解过程中最终产物是4-氨基苯乙酮,且4-氨基苯乙酮含量（μM）的对数值和反应时间（h）之间均呈典型的动力学一级增长模式（ExpGro1 Mode）,ExpGro1模型拟合的校正R2系数（Adj. R- Square）在0.9710.989之间。不同浓度的AQS以及反应体系中针铁矿的介入,导致4-硝基苯乙酮微生物还原反应所需“活化时间”存在一定程度的差异。研究进一步证实了,针铁矿还原解离过程生成的Fe（?Ι）在4-硝基苯乙酮微生物还原过程中起到了至关重要的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 国内外对异化铁还原研究现状
• 1.2 异化铁还原微生物的类型
• 1.3 异化铁还原机理
• 1.4 影响异化铁还原的因素
• 1.4.1 三价铁形态及其它电子受体
• 1.4.2 异化铁还原微生物的类型
• 1.4.3 不同碳源或电子供体
• 1.4.4 pH和温度
• 1.4.5 气体环境
• 1.4.6 其它物质
• 1.5 异化铁还原的意义
• 1.6 硝基苯类污染物的环境危害性及降解途径
• 1.7 研究的意义
• 1.7.1 针铁矿的生物还原研究的意义
• 1.7.2 针铁矿的非生物还原研究的意义
• 1.7.3 有机污染物的生物还原降解研究的意义
• 1.7.4 电子穿梭体（AQS）对铁氧化物及硝基苯类污染物降解的影响研究的意义
• 2 实验部分
• 2.1 实验所需药品及仪器
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 针铁矿（α-FeOOH）的制备
• 2.2.2 菌种
• 2.2.3 LB液体培养基
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 针铁矿的生物还原解离实验
• 2.3.2 针铁矿的非生物还原解离实验
• 2.3.3 铁氧化物参与下的硝基苯类污染物的生物转化实验
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 菌浓度测定
• 2.4.2 铁测定
• 2.4.3 有机物的测定
• 3 结果与讨论
• 3.1 针铁矿的微生物还原实验
• 3.1.1 不同浓度针铁矿胶体下的微生物还原特征
• 3.1.2 不同浓度的电子供体对针铁矿微生物还原特征的影响
• 3.1.3 微生物-针铁矿相互作用的动力学特征
• 3.2 针铁矿的非生物还原实验
• 3.2.1 不同浓度的针铁矿非生物还原特征
• 3.2.2 不同浓度电子供体对针铁矿非生物还原特征
• 3.2.3 氧化还原中介体AQS参与下的针铁矿的非生物还原率
• 3.2.4 针铁矿非生物还原过程中的Slogistic拟合
• 3.3 4-硝基苯乙酮的还原降解实验
• 3.3.1 4-硝基苯乙酮的还原反应方程式
• 3.3.2 电子转移体AQS对4-硝基苯乙酮降解的影响
• 3.3.3 针铁矿的加入对4-硝基苯乙酮降解的影响
• 3.3.4 4-硝基苯乙酮的微生物还原过程的ExpG101 模型拟合
• 4 结论
• 4.1 针铁矿的微生物还原实验
• 4.2 针铁矿的非生物还原实验
• 4.3 4-硝基苯乙酮的还原降解实验
• 致谢
• 参考文献