湖泊生态系统中微生物驱动氮-铁耦合反应研究进展

冯 旗,李晨希,胡 娜,李术艺,何 宇,李泳哲,郭天赐,胡文龙,董依然,3*

(1.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430078;2.武汉长江科创科技发展有限公司,湖北 武汉 430014;3.中国地质大学(武汉)生物地质与环境国家重点实验室,湖北 武汉 430078)

湖泊的氮污染源主要分为外源和内源污染两大类。其中,外源污染主要指未达标排放的工业生产废水、农业灌溉用水、居民生活污水等,其大大增加了湖泊的营养盐含量,以至超出湖泊自净能力;内源污染是指大量含有氮的废水进入自然水体,含氮化合物经沉降和富集共同蓄积在湖泊底泥沉积物之中,又在物理、化学或生物过程的作用下释放重新进入水体,成为湖泊内源污染负荷[8]。尽管随着人们环保意识的增强与相关法律法规的完善,针对外源污染的控制得到了加强,但研究证明即使截断外源污染,湖泊的内源污染仍然足以维持其富营养化状态[9];其主要原因是湖泊沉积物同时作为重点污染物的源与汇,是各类营养盐的重要来源和蓄积库,且污染释放面积大、时间长[10]。目前,常规的底泥疏浚是削减内源污染的主要方式,但是工作量大、操作成本高[8]。

与此相比,湖泊生态系统中存在丰富多样的微生物资源,微生物驱动不同含氮化合物的转化可作为有效手段促进生物脱氮反应的发生。微生物过程可以催化不同价态和赋存形态的含氮化合物之间的相互转化,参与推动氮的固定、迁移、转化、埋藏等多个重要过程,该过程也被称为微生物氮循环[11]。在湖泊生态系统众多的微生物氮循环过程中(图1)[12-13],反硝化、厌氧氨氧化过程可将可溶性的含氮化合物转化为气态物质,促进水体向氮限制状态转化。铁是地球上分布最广泛的金属之一,Fe(Ⅲ)与Fe(Ⅱ)之间的转化过程可与氮循环耦联,通过氮-铁耦合反应形成完整的氧化还原反应。在微生物的驱动下,氮-铁耦合反应能进一步促进氮转化,帮助湖泊进行内源脱氮。

注:图中虚线表示全程氨氧化中间过程;括号内数据表示N的价态。图1 湖泊生态系统中微生物氮循环过程Fig.1 Microbial nitrogen cycling processes in lake ecosystems

具有特殊化学特性的多种含氮中间产物能与环境中其他元素(如C、S、Fe)的代谢过程耦合产生氮-铁耦合的新途径[1]。铁(Fe)的地球化学丰度为5.1%[21],是生物圈中最常见的变价金属,可以作为众多微生物的电子或能量来源[22],主要存在形式为氧化态Fe(Ⅲ)和还原态Fe(Ⅱ)。铁与氮氧化还原过程的耦合可以通过依赖硝酸盐还原的铁氧化(NDFO)、铁氧化耦合异化硝酸盐还原成铵[Fe(Ⅱ)-DNRA]和铁氨氧化过程(Feammox)来实现[23]。由微生物介导的氮-铁耦合作用能改变营养物质或金属元素的赋存形态以及在不同界面的分布状态,氮-铁耦合过程已被证实是具有普遍生态学意义的生物地球化学过程,是湖泊氮循环中的重要部分[1,24]。因此,研究湖泊生态系统中由微生物驱动的氮-铁耦合过程,有助于深刻理解湖泊生态系统中的氮-铁循环机理,为解决内源氮负荷调节问题提供一定的理论支撑。

1.1 反硝化与依赖硝酸盐还原的铁氧化微生物

在微生物的驱动下,反硝化过程可与Fe(Ⅱ)转化耦合,即依赖硝酸盐还原的铁氧化(nitrate-dependent ferrous iron oxidization,NDFO)过程[37-38](以下简称硝酸盐还原铁氧化)。在1996年,德国科学家Straub报道了首个由潟湖沉积物中富集的自养型硝酸盐还原铁氧化富集培养群落“culture KS”[38-39]。在此后的二十余年中,研究人员在广泛分布的含铁水圈生态系统(如富含铁的湖泊[40]、海洋/河口沉积物[41-42]、湿地[43]、水稻田[44]等)中已发现和分离了众多具有硝酸盐还原铁氧化能力的细菌和古菌[1]。参与这一反应的微生物包含多种嗜中性和厌氧微生物[45],涉及α-、β-、γ-变形菌纲等在内的8个科10个属的微生物[46]。

前人的研究结果表明,硝酸盐还原的铁氧化微生物主要包括自养型、混合营养型、化学反硝化型3种营养类型[47-48],见图2。

图2 依赖硝酸盐还原的铁氧化微生物的3种主要类型Fig.2 Three main types of NDFO microorganisms

ΔGo’=-96.23 kJ/mol Fe

(1)

ΔGo’=-257.0 kJ/mol e-

(2)

ΔGo’=-88.0 kJ/mol e-

(3)

ΔGo’=-295.2 kJ/mol e-

(4)

1.2 铁氧化耦合异化硝酸盐还原成铵

1.3 铁氨氧化

ΔrGm=245 kJ/mol

(5)

ΔrGm=207 kJ/mol

(6)

ΔrGm=164 kJ/mol

(7)

目前,唯一获得分离纯化的Feammox微生物为分离自新泽西州河岸湿地土壤的Acidimicrobiaceaesp.A6[90],后续工作在湖泊沉积物等多种生境中也发现了其他Acidimicrobiaceae微生物的存在[91],通常使用引物acm342f/439r对其进行分子生物学层面的分析[90]。结晶度较低的Fe(Ⅲ)矿物、较高的溶解态Fe(Ⅲ)浓度或较低的pH值均可促进Feammox过程的发生[92]。这是由于在pH值约为3时Fe(Ⅲ)即可完全沉淀(以Fe3+浓度为1.0×10-5mol/L进行计算),且该反应需要消耗H+,因此Feammox过程一般发生在酸性环境之中。据估计,Feammox过程造成的氮素损失约占每年富营养化湖泊人为氮素输入的5.0%～9.2%,Feammox微生物单独或与厌氧铵氧化、反硝化结合可能在富营养化湖泊沉积物的氮循环中起重要作用[91,93]。此外,也有研究发现,铁还原过程与Feammox过程紧密相关,异化铁还原菌可能直接参与Feammox过程,但是两者的竞争/协同关系尚不清楚[94]。例如,Yao等[93]在太湖梅梁湾的研究中,发现了铁氨氧化速率与铁还原速率之间呈显著相关性,与铁还原菌的丰度呈正相关。这说明在氮-铁耦合过程中,铁还原也是需要关注的重要过程。

矿物结壳由Fe(Ⅱ)氧化形成,包括多种类型,如在胞外和周质中均发现了Psedogulbenkianiasp.2002氧化Fe(Ⅱ)生成的针铁矿(goethite,α-FeOOH)[95],还发现了PseudomonasstutzeriLS-2氧化Fe(Ⅱ)生成的纤铁矿(lepidocrocite,γ-FeOOH)[62,64]、Aquabacteriumsp.BrG2氧化Fe(Ⅱ)生成水铁矿[ferrihydrite,FeO(OH)][58]、Dechlorosomasuillumstrain PS氧化Fe(Ⅱ)生成磁铁矿(magnetite,Fe3O4)[97]等,这些矿物结壳与细胞表面或周质紧密结合,不利于微生物对营养物质的吸收利用,影响代谢废物的排出,可能会引起微生物生理活性的降低或丧失[60,81]。此外,功能蛋白也可能由于被矿物结壳包裹失活,从而对微生物的新陈代谢产生影响[98]。部分NDFO微生物如Acidovoraxsp.BoFeN1还可以通过分泌EPS减少矿物结壳对其生理代谢功能的影响[98]。EPS会降低矿物结壳对微生物的包裹程度[95],减弱其对微生物活性的抑制作用。其中,硝酸盐还原铁氧化的次生矿物可以被微生物还原生成Fe(Ⅱ),进一步促进氮-铁耦合过程。

异化铁还原微生物(dissimilatory Fe(Ⅲ)-reducing microorganisms,DIRB)[22,99]以Fe(Ⅲ)为末端电子受体,通过氧化电子供体将Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)[21,100],主要的铁还原机理包括铁的呼吸作用(respiratory iron reduction)和发酵铁还原作用(fermentative iron reduction)[99]。铁的呼吸作用是指微生物以Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)过程中获得的能量作为唯一的能量来源,是目前地球上已知最古老的微生物代谢类型之一[101]。发酵型异化铁还原菌是指在有机物发酵过程中,以Fe(Ⅲ)为电子受体,通过耦合氧化NAD(P)H进行Fe(Ⅲ)还原,以便NAD(P)H被循环利用的微生物,Fe(Ⅲ)还原产生的能量并不是其生长所必需的[100,102]。常见的三价铁电子受体主要为水铁矿、针铁矿等[103],电子供体可为氨基酸、有机酸、氢气等[104]。在自然界各种生态系统的厌氧环境中,几乎都有DIRB的存在,异化铁还原是物质循环的重要方式[105]。自1993年Lovley等[106]首次于淡水沉积物中分离得到金属还原地杆菌(GeobactermetallireducensGS15)后,目前已报道的铁还原微生物超过200株[21],如在缺氧或厌氧环境中分离得到的代表铁还原微生物的地杆菌属(Geobacter)、希瓦氏菌属(Shewanella)、地发菌属(Geothrix)等[107-108]。

湖泊作为微生物氮-铁耦合的重要纽带,存在着不同程度的硝态氮污染以及由此造成的氮素失衡问题,而在微生物驱动下进行的脱氮过程是湖泊水体氮元素自净的重要途径之一。自然环境中存在着大量可以驱动氮与铁转化的微生物。除了传统的反硝化、异化硝酸盐还原成铵和厌氧氨氧化,还可能通过NDFO、Fe(Ⅱ)-DNRA和Feammox,或通过与铁转化耦合的非生物反应进行氮-铁耦合,从而通过铁的氧化还原循环影响氮-铁耦合,对湖泊生态系统中氮的去向以及铁元素的分布产生重要影响。因此,理解微生物驱动下湖泊生态系统微生物的氮-铁耦合过程及其机理,拓宽对湖泊生态系统氮素研究的科学思路,可为湖泊内源脱氮、维持其生态功能稳定性等具有生态环境意义的科学和工程问题提供理论支撑。

此外,仍存在一些值得深入探究的科学问题,例如:①硝酸盐还原铁氧化过程中的生物和非生物的定量分析,由于NDFO过程中生物过程与非生物过程紧密相关且同步发生,难以进行剥离性的试验,针对生物与非生物作用贡献率仅限于模型推断,所以需要寻求能够准确科学定量生物与非生物作用的试验手段[62];②已知NDFO过程会形成矿物结壳,对微生物活性有抑制作用,应寻求“破壳”技术,减少矿物结壳对微生物的影响,以便在工程应用中更好地保持微生物活性[115];③混合营养型NDFO中存在两种电子供体,即有机碳底物与Fe(Ⅱ),但其能否同时提供电子等问题还需要进一步探讨,即目前对混合营养型NDFO的理解还不够详尽;④目前微生物铁氧化的酶学机制尚不清楚,研究认为细胞色素c是主要的铁氧化酶,但是否存在其他的铁氧化酶尚不明确[45];⑤各种氮-铁耦合途径对湖泊内源脱氮均有一定的作用,但是目前缺乏对于各种途径定量贡献的系统研究和比较。

感谢“隐秘铁循环耦合驱动硝酸盐转化的生物和非生物作用机制”国家自然科学基金项目(2021043180)和“微生物异养铁还原调节地质二氧化碳封存及机理研究”国家自然科学基金项目(2019043164)的支持。

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