研究簡介：鐵是地殼中最豐富的氧化還原活性元素。硝化-還原鐵(II)-氧化細(xì)菌已經(jīng)知道大約20年了。在多大程度上降低硝酸鹽和鐵的氧化是通過酶的途徑或由異養(yǎng)反硝化形成的亞硝酸鹽引起的非生物過程這個(gè)結(jié)論，已經(jīng)引起了許多爭論。到目前為止，唯一已知的實(shí)驗(yàn)室可以長期維持培養(yǎng)的是culture KS，這種純具有自養(yǎng)硝酸鹽還原Fe(II)氧化能力的培養(yǎng)物，然而能夠連續(xù)Fe(II)氧化和自養(yǎng)的能力的微生物代近些年來還未培養(yǎng)出來，只是在近幾年在沿海海洋沉積物中，還發(fā)現(xiàn)了自養(yǎng)硝酸鹽還原鐵(II)-氧化細(xì)菌的存在。

本論文研究的目的是通過監(jiān)測底物濃度和活性的變化來評估硝酸鹽還原和鐵(II)氧化的耦合，以及對天然淺海淡水沉積物中的硝化細(xì)菌的活性對硝酸鹽和鐵的刺激(II)的影響。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用了溶氧微電極OX-100，氧化還原電極以及PH-100三種微電極對康斯坦斯湖沿岸所取的沉積物柱芯樣品的氧、pH、氧化還原電位等進(jìn)行了原位測試，其中對在所取的沉積物測量之前和測試期間，在沉積物中覆蓋的水進(jìn)行曝氣，這是為了還原海洋種的表面沉積物中是充滿了氧氣的。對于沉積物中的氧的微剖面測試采用的是手動微推進(jìn)器，每次測試步徑為200微米。而對于氧化還原電位以及pH的微剖面測試采用的測試步徑是500微米。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過改良的微生態(tài)系統(tǒng)中。鐵的生物氧化依賴于微生物同步還原硝酸的過程，此外還發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽在經(jīng)過消毒的沉積物中，亞硝酸鹽的非生物氧化反應(yīng)速度不足以解釋在微生物活性沉積物中觀察到的鐵氧化速率。此外酶的基因編碼的表達(dá)水平對硝酸鹽還原至關(guān)重要，尤其受到了環(huán)境中二價(jià)鐵的刺激作用。這些結(jié)果表明，二價(jià)鐵對細(xì)菌的反硝化作用有直接的影響，并支持了微生物硝酸鹽的減少是由生物鐵（II）氧化引起的的假說。

圖1、康斯坦斯湖沿岸沉積巖心中測試的氧，pH，氧化還原電位，和Fe(II)的剖面圖。從圖中可以看出，所取的海洋沉積物中的氧的濃度是隨著距離界面越遠(yuǎn)，其氧的濃度最近降低，大約在界面下4mm處體系中的氧濃度幾乎為零。對于沉積物巖心中的pH值也是隨著沉積物界面處的深度增加表現(xiàn)為不斷變小。而對于氧化還原電位值表現(xiàn)為先減小后并最后穩(wěn)定120mv，但是體系中的二價(jià)鐵則表現(xiàn)為隨著距離沉積物界面處的距離增加，其二價(jià)鐵的濃度逐步增加。

圖2、在不同的微觀環(huán)境中測試的硝酸鹽(綠色)和亞硝酸鹽(紅色)的濃度(三角形、正方形和菱形符號分別代表了三倍體系的濃度)。體系中更正的濃度(5 mM的Fe(II)和Fe(III)除了從沉積物中衍生出1mM，2mM來自于硝酸鹽和亞硝酸鹽)，微觀環(huán)境的加入表示的是加入硝酸鹽或亞硝酸鹽后第60天。

圖3、亞硝酸鹽濃度(紅色)和Fe(II)/Fe(tot)比率(灰色)在生物(填充的符號)和非生物(空心結(jié)構(gòu)符號)隨著時(shí)間的變化情況(三角形，正方形，和鉆石符號顯示的三倍體系)。其中在初始修正后的Fe[II]濃度為5 mM，亞硝酸鹽濃度為2 mM，微觀體在第60天(見箭頭)加入亞硝酸鹽后呈現(xiàn)的體系濃度情況。

圖4、隨著時(shí)間的推移，體系中溶解的有機(jī)碳(藍(lán)色鉆石符號)和揮發(fā)性脂肪酸(棒)的濃度在設(shè)置的不同微觀環(huán)境體系中隨時(shí)間的變化情況。

圖5、鐵的轉(zhuǎn)化率(同步顯示的凈利率，其中Fe[II]氧化和Fe[III]的還原都依賴于DOC的濃度。選用5mM的Fe(II)或Fe(III)和2mM的硝酸鹽或亞硝酸鹽進(jìn)行的微觀實(shí)驗(yàn)的相關(guān)測試。理論鐵的轉(zhuǎn)換率顯示了Fe(II)的氧化反應(yīng)只與亞硝酸鹽的反應(yīng)有關(guān)的假設(shè)。理論Fe的轉(zhuǎn)換率(橙色虛線)與實(shí)測Fe的轉(zhuǎn)化率區(qū)別。

總結(jié)

本論文主要就沿海沉積物中的Fe(II)氧化與硝酸鹽還原進(jìn)行相關(guān)研究，之前的很多研究認(rèn)為，沉積物中的Fe(II)氧化對硝酸鹽還原的依賴性導(dǎo)致了兩個(gè)過程都是酶耦合的結(jié)論，但是結(jié)合實(shí)際觀察卻發(fā)現(xiàn)，普通的硝酸鹽還原菌可以通過反應(yīng)性氮素，在非生物的條件下氧化Fe(II)。在反硝化過程中觀察到的這些結(jié)果引起了相關(guān)科研人員對于體系中的硝酸鹽還原與Fe(II)氧化的耦合酶是否存在產(chǎn)生懷疑，本論文基于此項(xiàng)研究的疑慮，結(jié)合使用了unisense微電極研究系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了原位的測試沉積物中的Fe(II)、氧氣、pH、氧化還原電位等相關(guān)參數(shù)，提出了沉積物中硝酸還原鐵(II)氧化的基本機(jī)理，并且得出了Fe(II)氧化與硝酸鹽還原反應(yīng)主要是一種微生物介導(dǎo)的過程。這說明微電極在研究海洋沉積物氮循環(huán)機(jī)理方面存在著非常好的應(yīng)用前景。