土壤矿物-腐殖质-微生物互作界面的胞外电子传递及其对Cr(VI)还原的影响机制

Microbial extracellular electron transfer is an important driving force for element cycling and energy exchange in epigeosphere. The interaction among soil minerals, organic matter, and microorganisms will affects the process of microbial extracellular electron transfer, which will has a significant impact on the biogeochemical behaviors of heavy metals. The typical soil reactive components such as minerals, humus substance and dissimilatory metal-reducing bacteria are selected as the experimental materials. The physicochemical properties and structure characteristics of its single components and composites will be analyzed. The anaerobic culture experiment, surface site analysis, attenuated total reflection Fourier transformation infrared spectroscopy (ATR-FTIR), isothermal titration calorimetry (ITC), scanning electron microscope-energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), spin electron paramagnetic resonance (EPR), and X-ray absorption fine structure (XAFS) studies will be employed to study the reduction process of Cr (VI) in dynamics, thermodynamics and molecular levels. Using electron donor/capture experiments, Cr (VI) microbial reduction current detection and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis technology to explore electron transfer mechanism in the process of Cr (VI) reduction. The effects of the interactions between soil minerals, humus, and microbes on the reduction of heavy metal Cr (VI) and the transfer of extracellular electron will be clarified. This study may advance the research on the interaction of soil minerals-humus-microbes and the chemical behaviors of heavy metals. The results obtained will also provide scientific basis for the remediation of heavy metal-contaminated soils.

微生物胞外电子传递是地表系统元素循环与能量交换的重要驱动力，土壤矿物-有机质-微生物的相互作用会影响胞外电子的传递过程，进而深刻影响重金属的生物地球化学行为。本项目选取典型的土壤矿物、腐殖质和异化金属还原菌为研究材料，分析其单一组分和复合体的理化性质和结构特征。以重金属铬为对象，借助厌氧培养实验、表面位点分析、红外光谱、等温微量热滴定、电镜-能谱、X射线光电子能谱、电子顺磁自旋共振和X射线吸收光谱等现代分析技术在动力学、热力学和分子水平研究Cr(VI)的还原过程。利用电子供体/捕获剂对照试验、Cr(VI)微生物还原电流检测以及电化学阻抗谱等电化学分析技术探讨Cr(VI)还原过程中的电子传递机理。阐明土壤矿物-腐殖质-微生物互作对重金属Cr(VI)的还原过程和微生物胞外电子传递的影响机制，推动土壤矿物-腐殖质-微生物的相互作用及重金属化学行为研究的深入，为重金属污染土壤的治理提供科学依据。

土壤中大多数的微生物是与土壤矿物或矿物-有机物复合体相粘附的，土壤矿物-有机质-微生物的相互作用会影响胞外电子的传递过程，进而深刻影响重金属的生物地球化学行为。本项目以土壤矿物、腐殖质和异化金属还原菌为研究材料，，以重金属铬为研究对象，借助厌氧培养实验、表面位点分析、红外光谱、等温微量热滴定、电镜-能谱、X射线光电子能谱、电子顺磁自旋共振和X射线吸收光谱等现代分析技术在动力学、热力学和分子水平研究了Cr(VI)的还原过程，探讨Cr(VI)还原过程中的电子传递机理，揭示了土壤矿物-腐殖质-微生物互作对重金属Cr(VI)的还原过程和微生物胞外电子传递的影响机制。主要研究进展和结果如下：. 1、明确了铁锰氧化物和腐殖酸对希瓦氏菌表面电荷、位点和官能团的影响，揭示了铁锰氧化物-腐殖质-微生物互作对重金属Cr(VI)的还原过程和微生物胞外电子传递的影响机制。针铁矿和水钠锰矿增加希瓦氏菌表面负电荷，降低希瓦氏菌表面位点浓度。希瓦氏菌能够还原铁锰氧化物，且矿物的还原与Cr(VI)的还原同时存在，矿物还原产生的Fe(II)、Mn(III)会参与Cr(VI)的化学还原过程。. 2、刻画了Cr(VI)在硅酸盐矿物-腐殖质-希瓦氏菌互作界面的还原行为，明确了Cr(VI)生物还原的中间产物和终产物，揭示了硅酸盐矿物和腐殖质对希瓦氏菌还原Cr(VI)的主要作用机制。希瓦氏菌、矿物、腐殖酸及其复合体对Cr(VI)的还原经过中间价态Cr(V)，最终还原产物以Cr(III)的形式固定在复合体表面，沉淀主要包含有Cr2O3、Cr2(PO4)3。. 3、查明了细胞表面的EPS对希瓦氏菌表面性质的影响，明确了EPS对希瓦氏菌还原Cr(VI)的作用，阐明了EPS对希瓦氏菌和希瓦氏菌-矿物复合体还原Cr(VI)的影响机制。EPS存在在热力学上更有利于还原反应的进行，EPS中的外膜c-型细胞色素可作为Cr(VI)还原的末端还原酶，EPS的主要荧光组分中的类蛋白质参与了Cr(VI)的还原过程。. 本项目的研究结果深化了对土壤矿物-腐殖质-微生物相互作用的认识，也为重金属污染土壤的治理提供了一定的科学依据。