异化Fe(Ⅲ)还原酶促反应及调控机制的研究进展

异化Fe(Ⅲ)还原菌不是分类学上的概念,它具有系统发育及环境来源多样性的特点。与其他大多数的电子受体不同,在近中性pH值条件下,Fe(Ⅲ)的溶解度很低,通常以不溶性的Fe(Ⅲ)氧化物的形式存在。目前,对微生物如何获得和还原不溶性Fe(Ⅲ)的机理仍缺乏系统的了解。以希瓦氏菌和地杆菌为例,本文综述了3种异化Fe(Ⅲ)还原的酶促反应机制及其分子调控机理：异化Fe(Ⅲ)还原菌与Fe(Ⅲ)氧化物直接接触机制、电子穿梭体的作用机制、铁载体作用机制,多种膜蛋白特别是多血红素的细胞色素蛋白参与微生物的异化Fe(Ⅲ)还原过程,并形成复杂的调控网络。此外,本文也对异化Fe(Ⅲ)还原酶促反应及其分子调控机理将来的研究方向进行了展望,以期对这一重要的生化过程有更为全面的认识。     

异化Fe(Ⅲ)还原及其在污染治理中的作用

细菌的异化Fe(Ⅲ)还原指以Fe(Ⅲ)为末端电子受体在无氧条件下氧化有机物的产能过程,在生物地球化学循环中起着重要的作用。系统综述了异化Fe(Ⅲ)还原细菌与多种代谢反应相耦联的Fe(Ⅲ)还原过程、还原不溶性Fe(Ⅲ)氧化物的机制,及其与Fe(Ⅲ)还原相关的分子生物学的研究进展。介绍了国内外有关Fe(Ⅲ)还原在环境污染治理中的研究现状及其发展趋势。     

异化Fe(Ⅲ)还原及其在污染治理中的作用

细菌的异化Fe(Ⅲ)还原指以Fe(Ⅲ)为末端电子受体在无氧条件下氧化有机物的产能过程,在生物地球化学循环中起着重要的作用。系统综述了异化Fe(Ⅲ)还原细菌与多种代谢反应相耦联的Fe(Ⅲ)还原过程、还原不溶性Fe(Ⅲ)氧化物的机制,及其与Fe(Ⅲ)还原相关的分子生物学的研究进展。介绍了国内外有关Fe(Ⅲ)还原在环境污染治理中的研究现状及其发展趋势。     

微生物铁呼吸机制研究进展

铁呼吸是厌氧环境中普遍存在的一种微生物代谢形式,多种古生菌和细菌都能进行铁呼吸.Fe(Ⅲ)的地球化学丰度比较高,为Fe(Ⅲ)还原菌提供了充足的电子受体,但自然中Fe(Ⅲ)多以不溶形式存在,使电子传递受阻.本文介绍了Fe(Ⅲ)还原菌的多样性,总结了4种铁呼吸机制:直接接触机制、螯合促溶机制、电子穿梭机制、纳米导线辅助机制,并对铁呼吸机制未来的研究方向进行了展望.     

土壤Fe(Ⅲ)异化还原机理及影响因素研究进展

微生物的异化Fe(Ⅲ)还原指以Fe(Ⅲ)为末端电子受体在厌氧条件下氧化有机物的产能过程,在生物地球化学循环中起着重要的作用,异化还原的产物为Fe(Ⅱ)。目前对Fe(Ⅲ)微生物还原的物理、生物化学特性的认识还十分有限。本文系统介绍了异化Fe(Ⅲ)还原的机理及影响因素,包括还原不溶性Fe(Ⅲ)氧化物的机制及与Fe(Ⅲ)还原相关的分子生物学的研究进展。分析了目前研究中存在的问题,并从分子生物学及生物地球化学角度对异化Fe(Ⅲ)还原研究方向进行了评述与展望。旨在加强相关领域研究人员对该科学问题的了解和重视,通过学科交叉和合作加快我国在这一领域的研究。     

铁还原菌在水资源再生与能源转化领域的研究进展

铁还原菌是一种典型的异化金属还原菌,广泛分布于海洋沉积物、陆地深地层等自然环境,该类细菌可以将铁氧化物中的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),在铁、碳的生物地球化学铁循环中发挥重要作用。铁还原菌的末端电子不局限于Fe(Ⅲ),还可以是其他高价金属、有机污染物,可用于土壤、地下水的污染修复和毒性削减。在微生物电化学系统中,铁还原菌氧化有机物产生的电子直接传递给电极,可以产生电能。基于这种独特的胞外电子传递方式,衍生出了微生物燃料电池、微生物电解池、微生物脱盐电池、微生物燃料电池耦合芬顿反应以及光催化微生物燃料电池,常用于微生物发电、生物传感器、生物制氢、定向发酵、海水淡化、生物脱盐和污染物分解矿化。本文从异化铁还原菌的代谢机制、微生态作用、环境修复、水资源再生与能源转化四个方面,综述了铁还原菌的作用原理及国内外研究现状,分析论述了目前亟需解决的关键问题和未来的研究方向,以期为铁还原菌的基础理论研究和应用技术研发提供参考。     

细菌的Fe(Ⅲ)还原

细菌Fe(Ⅲ)还原是生物进化过程中最早出现的生物能量代谢途径,多种古细菌和真细菌具有Fe(Ⅲ)还原能力。在细菌Fe(Ⅲ)还原的过程中,需要多种膜蛋白的参与,且受到多途径的调控,特别是多血红素的细胞色素在电子传递过程中发挥重要作用。细菌Fe(Ⅲ)还原在生命的进化和整个生物地球化学循环中起到重要作用,具重要的环境学意义。     

活性污泥中Fe(Ⅲ)还原微生物的分离、鉴定及还原特性

采用平板分离法和柠檬酸铁还原实验法相结合,从城市污水处理厂活性污泥中分离获得Fe(Ⅲ)还原菌F7,经形态观察、生理生化和16S rDNA序列分析及同源性比对鉴定为恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida).在不同柠檬酸铁浓度和不同pH条件下的实验表明,柠檬酸铁浓度为0.32g/L时,菌株生长情况较好,柠檬酸铁浓度为0.16g/L时,Fe(Ⅲ)异化还原比例较高;pH6.5时,菌株生长情况较好,Fe(Ⅲ)异化还原量较多.     

中国希瓦氏菌D14^T的Fe（Ⅲ）还原特性及其影响因素

报道了中国希瓦氏菌D14 T 的Fe(Ⅲ)还原特性,研究了溶氧浓度、光照强度、温度、pH等条件对菌株Fe(Ⅲ)还原的影响。结果发现,随着培养基中Fe(Ⅲ)浓度的提高,菌株D14 T 的Fe(Ⅲ)还原速率相应降低;氧气和光照对Fe(Ⅲ)还原有一定的抑制作用;菌株还原Fe(Ⅲ)的最适反应温度为37℃;在反应起始pH6 0 - 10 0的条件下菌株可进行Fe(Ⅲ)还原。对不同形态Fe(Ⅲ)还原特性的研究结果表明,Fe(Ⅲ)的溶解度越高越有利于还原反应的进行。采用SDS和OGP这两种蛋白变性剂对Fe(Ⅲ)还原蛋白进行初步定位的结果表明,参与Fe(Ⅲ)还原的蛋白主要位于细胞可溶性外周蛋白。在同时含有偶氮染料和Fe(Ⅲ)的条件下,菌株D14 T 的偶氮染料脱色率和Fe(Ⅲ)还原率均有所提高     

中国希瓦氏菌D14T的Fe(Ⅲ)还原特性及其影响因素

报道了中国希瓦氏菌D14T的Fe(Ⅲ)还原特性,研究了溶氧浓度、光照强度、温度、pH等条件对菌株Fe(Ⅲ)还原的影响。结果发现,随着培养基中Fe(Ⅲ)浓度的提高,菌株D14T的Fe(Ⅲ)还原速率相应降低;氧气和光照对Fe(Ⅲ)还原有一定的抑制作用;菌株还原Fe(Ⅲ)的最适反应温度为37℃;在反应起始pH60-100的条件下菌株可进行Fe(Ⅲ)还原。对不同形态Fe(Ⅲ)还原特性的研究结果表明,Fe(Ⅲ)的溶解度越高越有利于还原反应的进行。采用SDS和OGP这两种蛋白变性剂对Fe(Ⅲ)还原蛋白进行初步定位的结果表明,参与Fe(Ⅲ)还原的蛋白主要位于细胞可溶性外周蛋白。在同时含有偶氮染料和Fe(Ⅲ)的条件下,菌株D14T的偶氮染料脱色率和Fe(Ⅲ)还原率均有所提高。     

铁还原菌降解石油烃的研究进展

铁还原菌是指能够利用细胞外Fe(III)作为末端电子受体,通过氧化有机物将Fe(III)还原为Fe(II)微生物的总称。铁还原作用广泛存在于土壤、河流、海洋、地表含水层以及高温高压的地下深部油藏。在厌氧或兼性厌氧条件下,Fe(III)还原耦合有机物的降解,对铁、碳元素的生物地球化学循环具有重要意义。本文介绍了铁还原菌的多样性和铁还原作用机理,综述了铁还原菌在石油烃降解方面的研究进展。此外,还总结了铁还原菌在生物修复中的潜在作用,并对未来的研究方向进行了展望。     

异化铁还原梭菌Clostridium bifermentans EZ-1产氢与电化学特性

【目的】从黄河三角洲滨海湿地土壤中获得同时具备产氢、产电以及异化铁还原能力的多功能菌株。【方法】通过厌氧分离技术从黄河三角洲土壤中分离得到纯菌株,16S r RNA基因测序后与数据库已有序列进行比对。利用革兰氏染色及扫描电镜观察菌株形态,并用气相色谱(gas chromatography,GC)和液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)检测其生理代谢底物和产物。通过添加不同形态铁氧化物检测该菌株Fe(Ⅲ)的还原能力。构建微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)检测该菌株的电化学活性。【结果】16S r RNA基因序列比对发现其与双酶梭菌Clostridium bifermentans的相似性达97.99%。革兰氏染色结果显示为阳性菌。能够利用葡萄糖为底物发酵产生氢气、二氧化碳、乙酸和丁酸。Fe(Ⅲ)还原能力检测发现,其不仅可以还原柠檬酸铁(FeC_6H_5O_7)中可溶性的Fe(Ⅲ),还可以还原无定形铁水铁矿(FeOOH)和晶型纳米磁铁矿(Fe_3O_4)中的Fe(Ⅲ)。此外,经MFCs检测发现,该菌具有电化学活性,最大电流输出密度可达6.5 m A/m~2,且在0.15 V位置存在氧化峰。【结论】本研究从土壤中成功分离得到了一株同时具有产氢、产电以及异化铁还原能力的多功能梭菌菌株,保藏并命名为Clostridium bifermentans EZ-1。     

水稻土中铁还原菌多样性

微生物介导的异化Fe(III) 还原是非硫厌氧环境中Fe(III) 还原生成Fe(II) 的主要途径,然而相关的铁还原菌还不是很清楚,特别是在水稻土中.本文采用富集培养的方法,以乙酸和氢气作为电子供体,水铁矿和针铁矿作为电子受体,通过末端限制性片段长度多态性（T-RFLP）技术和16S rRNA基因克隆测序相结合的分子生物学方法研究了水稻土中铁还原菌的多样性.结果表明：无论是以乙酸或氢气为电子供体,水铁矿或针铁矿为电子受体,地杆菌（Geobacter）和梭菌（Clostridiales）是富集到的主要微生物群落;乙酸为电子供体时,富集到的主要微生物群落还包括红环菌（Rhodocyclaceae）;因此,除地杆菌外,梭菌和红环菌很可能也是水稻土中重要的铁还原菌.     

水稻土中铁还原菌多样性

微生物介导的异化Fe(III) 还原是非硫厌氧环境中Fe(III) 还原生成Fe(II) 的主要途径,然而相关的铁还原菌还不是很清楚,特别是在水稻土中.本文采用富集培养的方法,以乙酸和氢气作为电子供体,水铁矿和针铁矿作为电子受体,通过末端限制性片段长度多态性（T-RFLP）技术和16S rRNA基因克隆测序相结合的分子生物学方法研究了水稻土中铁还原菌的多样性.结果表明：无论是以乙酸或氢气为电子供体,水铁矿或针铁矿为电子受体,地杆菌（Geobacter）和梭菌（Clostridiales）是富集到的主要微生物群落;乙酸为电子供体时,富集到的主要微生物群落还包括红环菌（Rhodocyclaceae）;因此,除地杆菌外,梭菌和红环菌很可能也是水稻土中重要的铁还原菌.     

隐藏嗜酸菌Acidiphilium cryptum XTS的Cr(Ⅵ)还原特性及相关基因的差异表达

[目的]考察pH值、初始Cr(Ⅵ)浓度、Fe(Ⅲ)的加入及氧气含量对隐藏嗜酸菌Acidiphiliumcryptum XTS还原Cr(Ⅵ)的影响及其六价铬还原相关基因在不同培养条件下的差异表达.[方法]采用正交试验法L9(34)优选Cr(Ⅵ)还原最适条件;根据模式菌A.cryptum JF-5同源功能基因序列设计引物,对菌株XTS中的六价铬还原相关基因Acry_2099在不同培养条件下的基因差异表达进行分析.[结果]pH为2.9,初始Cr(Ⅵ)浓度为80 mg/L,Fe(Ⅲ)浓度为100 mg/L的条件是该菌株还原Cr(Ⅵ)的最优化配合比,在该条件下处理24 h,Cr(Ⅵ)的还原率达到67.48％;从菌株XTS中成功克隆了Acry 2099基因,其序列与模式菌A.cryptum JF-5的同源功能基因序列一致性达到了99.7％;在不同pH值、初始Cr(Ⅵ)浓度及氧气含量下Acry_2099基因表达上调情况与Cr(Ⅵ)还原速率呈一致趋势,证明Acry 2099很可能参与还原Cr(Ⅵ)的代谢途径.虽然加入Fe(Ⅲ)能促进Cr(Ⅵ)的还原,但是铁的加入对Acry 2099基因表达水平没有显著的影响.[结论]A.cryptumXTS对Cr(Ⅵ)的还原与pH值、初始Cr(Ⅵ)浓度、Fe(Ⅲ)的存在等因素有关,较低的pH和较高的初始Cr(Ⅵ)浓度对该菌还原Cr(Ⅵ)具有促进作用.     

草酸对黄瓜根中铁还原的促进作用

用黄瓜为材料 ,研究了草酸对植物根切段还原Fe(Ⅲ )EDTA的促进作用。在 2～ 14mmol/L范围内随着草酸浓度的加大 ,其促进作用不断提高 ;在 4h内随着反应时间的推移 ,Fe(Ⅲ )EDTA的还原量成线性上升趋势。进一步用完整根、粗酶提取液和提纯的质膜证明 :促进作用并非草酸本身作为电子供体直接或间接地加速了铁还原反应 ,而是形成的草酸铁螯合态是根中铁还原酶更有效的底物。整体根还原草酸铁的活力和质膜铁还原酶催化草酸铁的效率 (Vmax/Km)都远大于还原柠檬酸铁和Fe (Ⅲ )EDTA的活力和效率     

脱色希瓦氏菌S12的铁还原性能研究*

从印染废水中分离得到了一株具有染料脱色功能的希瓦氏菌脱色新种。该菌能在厌氧条件下利用Fe3+作为末端电子受体获得能量,支持细胞生长。在pH8．0,温度30℃,柠檬酸铁800mg／L,乳酸钠2g／L,酵母抽提物0．5g／L的条件下,培养8h的过程中,菌体细胞量的增长完全与Fe3+的还原发展趋向一致。同时考察了碳氮源、乳酸钠、酵母抽提物、pH值和温度等方面对该菌株的生长和铁还原特性的影响。结果表明,菌体生长以LB为最好,以葡萄糖和乳酸钠为碳源时对铁还原有利。在酵母抽提物浓度4g／L范围内,菌体生长量和铁还原率     

Fe(Ⅲ)的微生物异化还原

异化Fe（Ⅲ）还原微生物是厌氧环境中广泛存在的一类主要微生物类群,它们的共同特征是可以利用Fe（Ⅲ）作为末端电子受体而获能。异化Fe（Ⅲ）还原微生物具有强大的代谢功能,可还原许多有毒重金属包括一些放射性核素,还可降解利用许多有机污染物,在污染环境的生物修复中具有重要的应用价值。本文对异化Fe（Ⅲ）还原微生物的分布、分类,代谢功能多样性以及异化Fe（Ⅲ）还原的意义做了评述,旨在加强相关领域的研究人员对此的了解和重视,通过学科的交叉和合作加快我国在这一领域的研究。     

一株嗜水气单胞菌HS01的偶氮还原脱色特性

[目的]研究嗜水气单胞菌HS01的偶氮染料还原脱色特性.[方法]建立HS01/偶氮染料/电子供体序批式厌氧反应体系,研究Fe(Ⅲ)/腐殖质还原菌HS01以偶氮染料为电子受体的厌氧呼吸特性及影响因素;并构建HS01/偶氮染料/电子供体/铁氧化物体系,探讨铁氧化物对HS01偶氮还原的影响.[结果]HS01可将金橙Ⅰ迅速还原,菌体增殖;柠檬酸、丙三醇、蔗糖和葡萄糖体系中,16h金橙Ⅰ的脱色率分别达87％、85％、88％、90％;不同pH和金橙Ⅰ初始浓度条件下的脱色率不同;在反应体系中加入α-FeOOH,脱色率从90％增加至95％,Fe(Ⅱ)生成量与无染料对照体系相当.[结论]HS01能以葡萄糖为电子供体,金橙Ⅰ为唯一电子受体,进行厌氧呼吸;蔗糖、柠檬酸、丙三醇也可作为有效的电子供体,脱色率依次递减;甲酸、乙酸、乳酸、乙醇及丙酸不能作为HS01厌氧呼吸的电子供体.金橙Ⅰ脱色的最佳pH范围为6.0-8.0;高浓度(2.0 mmol/L)金橙Ⅰ负荷下,HS01仍保持高脱色率(＞85％).在HS01/α-FeOOH/金橙Ⅰ体系中,异化铁还原作用与偶氮呼吸作用同时发生,异化铁还原能促进偶氮脱色,而脱色对Fe(Ⅲ)还原没有明显影响.这可为铁/腐殖质还原菌在环境修复和废水处理等领域的应用提供研究积累.     

海洋沉积物中铁还原细菌组成及异化铁还原与产氢性质分析

【背景】一些铁还原细菌具有异化铁还原与产氢的能力,该类细菌在环境污染修复的同时能够解决能源问题。【目的】从海洋沉积物中富集获得异化铁还原菌群,明确混合菌群组成、异化铁还原及产氢性质。获得海洋沉积物中异化铁还原混合菌群组成,分析菌群异化铁还原和产氢性质。【方法】利用高通量测序技术分析异化铁还原菌群的优势菌组成,在此基础上,分析异化铁还原混合菌群在不同电子供体培养条件下异化铁还原能力和产氢性质。【结果】高通量数据表明,在不溶性氢氧化铁为电子受体和葡萄糖为电子供体厌氧培养条件下,混合菌群的优势菌属主要是梭菌(Clostridium),属于发酵型异化铁还原细菌。混合菌群能够利用电子供体蔗糖、葡萄糖以及丙酮酸钠进行异化铁还原及发酵产氢。葡萄糖为电子供体时,菌群累积产生Fe(Ⅱ)浓度和产氢量最高,分别是59.34±6.73 mg/L和629.70±11.42 mL/L。【结论】异化铁还原混合菌群同时具有异化铁还原和产氢能力,拓宽了发酵型异化铁还原细菌的种质资源,探索异化铁还原细菌在生物能源方面的应用。