温度对水稻土中异化铁还原过程的影响

论文摘要

异化Fe（Ⅲ）还原作用是一种微生物代谢,该过程使有机或无机的电子供体以Fe（Ⅲ）作为终端电子受体而被氧化,使Fe（Ⅲ）还原为Fe（Ⅱ）。自然界中只要存在厌氧环境,几乎都会发生异化Fe（Ⅲ）还原现象,并发现有异化铁还原微生物存在。地球化学证据表明,Fe（Ⅲ）还原可能是地球上最早的呼吸形式之一,它是除了早期地球之外其它热环境（Hotbiosphere）中重要的微生物过程。水稻土作为研究氧化还原的一种模式系统一直受到人们的重视,并且其中铁的氧化还原占有重要地位,厌氧环境下氧化铁还原作用在很大程度上受微生物的影响。在通常条件下,土壤氧化铁以微生物还原方式为主,而温度又是微生物生长和生存的重要影响因素之一,所以,研究不同温度条件下水稻土中Fe（Ⅲ）微生物的还原特征,不仅可深化人们对水稻田微生物生态的认识,而且对于阐明水稻土的形成及稻田生态系统中污染物的转化与修复机理具有重要的意义。本文选择我国典型的水稻土为供试材料,采用厌氧泥浆培养、厌氧微生物群落培养和微生物纯培养的研究方法,探讨了温度对水稻土中异化铁还原过程的影响,主要得出以下结论:（1）恒温厌氧泥浆培养模式下,10℃-25℃之间4种水稻土异化铁还原过程Fe（Ⅱ）的最大累积量,Fe（Ⅱ）的累积速率均随着温度的升高而升高,且Fe（Ⅱ）累积达到最大速率所需要的时间也随着温度升高而减少;而在25℃-50℃之间不同水稻土之间表现不同,天津和吉林水稻土异化铁还原的Fe（Ⅱ）的累积速率随着温度升高而增加,广东和湖南水稻土的Fe（Ⅱ）的累积速率随着温度升高而降低,这源于不同地区的水稻土的微生物群落结构不同以及对温度的敏感性不同有关。（2）恒温厌氧泥浆培养模式下,随着培养温度的升高水稻土异化铁还原过程Fe（Ⅲ）的还原速率也增大,并且减少了Fe（Ⅲ）还原所需要的时间。Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）的比值与体系中的氧化还原电位有正相关关系。Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）的初始值与土壤pH和有机质含量有一定的相关关系。升高温度也可以促进水稻土异化铁还原过程Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）的降低速率。在10℃至25℃之间,4种土壤异化铁还原过程中Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）增幅之间没有显著差异。10℃-25℃之间Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）的速率常数与Fe（Ⅲ）的还原速率有一定的正相关关系。（3）由转温培养试验看出,温度对铁还原过程的影响可能是加速反应初期有机质矿化,产生易被铁还原微生物利用的小分子碳源,从而促进土壤中氧化铁的还原。而当培养一段时间后再升温时,易分解的有机质已经有所消耗,温度的效应也随之减弱,故Fe（Ⅱ）的最大累积量也有所降低。（4）在不同温度处理对水稻土微生物群落Fe（Ⅲ）还原能力的影响试验中,随着处理温度的随着处理温度的上升,Fe（Ⅱ）产生量和反应速率都呈降低趋势。接种的菌液经过40℃处理1h的反应速率明显大于其他3种温度（70℃、60℃、50℃）处理,70℃处理的Fe（Ⅱ）产生量仅为40℃处理的1/5左右,对于来源于吉林水稻土的微生物群落来说,处理温度为70℃的Fe（Ⅱ）的最大累积量（a）比处理温度为40℃时的Fe（Ⅱ）最大累积量（a）降低了81.57%,而来源于天津和湖南水稻土的微生物群落也分别降低了81.83%和74.77%。表明该温度对铁还原过程具有明显的抑制作用。另外,处理温度的变化对最大累积速率（Vmax）和铁还原率也都有明显的影响,随着处理温度的升高都呈下降趋势。（5）微生物群落培养模式下,添加AQDS处理的Fe（OH）3还原速率较对照明显增加,证实了在体系中AQDS作为电子穿梭体起传递电子的作用,加速了Fe（Ⅲ）的还原。儿水稻土中的微生物对Fe（OH）3的还原速率明显比TJ、SC水稻土的快,表明不同来源的微生物对Fe（OH）3的还原能力具有一定的差别。此外,在反应过程中JL水稻土的微生物对AQDS比较敏感,其Fe（Ⅱ）浓度的增加速率较大。温度从30℃升高到50℃,来自JL水稻土的微生物群落的Fe（Ⅱ）的产生量和铁还原速率有所提高,其它2种微生物群落变化不是十分明显。（6）纯培养条件下,菌株（JX-a03、JX-a08、SC-a04、SC-a11）随着培养温度从40℃升高到50℃,铁还原率升高,Fe（Ⅱ）的最大累积量也不同程度的增大,特别是菌株JX-a03的反应速率、铁还原率和Fe（Ⅱ）的最大累积量升高的最为明显,说明株菌JX-a03在50℃的温度下不仅能进行正常的微生物代谢,且相对于40℃其生理活性也有明显的提高,可以初步断定菌株JX-a03是嗜热菌。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水稻土中常见的氧化铁及其形态转化
• 1.1.1 水稻土中的氧化铁
• 1.1.2 水稻土中的氧化铁的转化及其影响因素
• 1.1.3 氧化铁转化对水稻土的意义
• 1.2 异化Fe（Ⅲ）还原微生物的种类
• 1.3 异化Fe（Ⅲ）还原的机理
• 1.3.1 通过电子穿梭体进行的不溶性Fe（Ⅲ）还原
• 1.3.2 Fe（Ⅲ）络合剂的分泌
• 1.3.3 直接和不溶性Fe（Ⅲ）氧化物接触的Fe（Ⅲ）还原
• 1.4 影响异化Fe（Ⅲ）还原的因素
• 1.5 异化铁还原的地学和环境生态意义
• 1.5.1 异化Fe（Ⅲ）还原是最古老的呼吸形式之一
• 1.5.2 利用异化Fe（Ⅲ）还原获得环境中无法培养的微生物
• 1.5.3 异化Fe（Ⅲ）还原可能参与了许多矿物的形成
• 1.5.4 异化Fe（Ⅲ）还原为污染环境的生物修复提供了途径
• 1.6 本研究目的及意义
• 第二章 研究内容与方法
• 2.1 供试土壤
• 2.2 不同温度对水稻土厌氧培养中异化铁还原的影响试验
• 2.3 温度转换对水稻土厌氧培养中异化铁还原的影响试验
• 2.4 不同温度处理对水稻土微生物群落Fe（Ⅲ）还原能力的影响试验
• 2.4.1 接种液的制备
• 2.4.2 试验方案和方法
• 2.5 不同温度条件下AQDS对水稻土微生物群落Fe（Ⅲ）还原的影响试验
• 2.6 纯培养条件下温度对不同铁还原菌株Fe（Ⅲ）还原特征的影响
• 2.6.1 菌种与培养基
• 2.6.2 菌液制备
• 2.6.3 试验方案及方法
• 2.7 采样及测定方法
• 2.7.1 厌氧泥浆培养试验
• 2.7.2 微生物群落培养试验和纯培养试验
• 2.8 数据统计方法
• 第三章 试验结果与分析
• 3.1 恒温条件下温度对土壤泥浆厌氧培养中Fe（Ⅲ）还原的影响
• 3.1.1 温度对Fe（Ⅱ）产生的影响
• 3.1.2 温度对体系中盐酸可提取Fe（Ⅲ）浓度的影响
• 3.1.3 温度对体系中Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）比值的影响
• 3.2 温度转换与Fe（Ⅲ）还原的关系
• 3.2.1 温度转换对Fe（Ⅱ）的影响
• 3.2.2 温度转换对体系中盐酸可提取Fe（Ⅲ）浓度的影响
• 3.2.3 温度转换对Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）的影响
• 3.3 不同温度处理对水稻土微生物群落Fe（Ⅲ）还原能力的影响
• 3.3.1 不同温度处理下水稻土微生物群落对Fe（Ⅲ）的还原能力
• 3还原特征参数分析'>3.3.2 不同微生物群落在不同温度处理下的Fe（OH）₃还原特征参数分析
• 3.4 不同温度条件下添加AQDS对水稻土微生物群落Fe（Ⅲ）还原的影响
• 3.4.1 不同温度条件下AQDS对异化铁还原过程的影响
• 3.4.2 不同温度条件下AQDS对异化铁还原特征的影响
• 3.5 纯培养条件下温度对不同铁还原菌株Fe（Ⅲ）还原特征的影响
• 3的影响'>3.5.1 温度对不同铁还原菌株还原Fe（OH）₃的影响
• 3还原特征分析'>3.5.2 不同温度条件下不同铁还原菌株的Fe（OH）₃还原特征分析
• 第四章 讨论
• 4.1 恒温条件下温度对土壤泥浆厌氧培养中Fe（Ⅲ）还原的影响
• 4.2 温度转换与Fe（Ⅲ）还原的关系
• 4.3 不同温度处理对水稻土微生物群落Fe（Ⅲ）还原能力的影响
• 4.4 在不同温度条件下添加AQDS对Fe（Ⅲ）还原能力的影响
• 4.5 纯培养条件下温度对不同铁还原菌株Fe（Ⅲ）还原特征的影响
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 研究特色与新见解
• 5.3 不足之处
• 5.4 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介