土壤铁循环微生物/Fe(II)协同作用下铁(氢)氧化物晶相转变机制

Fe(II)-catalyzed recrystallization of iron (hydr)oxide are the recently found important processes of soil iron cycle. It is the driving power for biogeochemistry processes of many elements in soils. Previous studies focused on chemical mechanism of Fe(II)-catalyzed iron (hydr)oxide recrystallization, whereas the roles of soil microorganisms in this reaction has not been received attentions. The present project is proposed to examine the biological mechanism of Fe(II)-catalysed recrystallization of iron (hydr)oxide induced by iron cycling microorganisms (including iron-reducing bacteria and iron-oxidizing bacteria in the present study). Based on the research of the electron transfer and recrystallization of iron (hydr)oxide during reaction of Fe(II)-iron (hydr)oxide in the absence of microorganisms, the electron transfer and recrystallization of iron oxide in the reactions of Fe(II)-iron reducing bacteria- (hydr)oxide and Fe(II)-iron oxidizing bacteria- (hydr)oxide by using analysis methods of stable Fe isotopic tracer s and crystal structure characterization, will be systematically investigated. It is expected that the outputs of the project are important for elucidating the biochemical mechanisms of electron transfer processes and recrystallization of iron (hydr)oxide induced by Fe(II), and it is also helpful in providing scientific basis for controlling soil environmental quality.

游离态Fe(II)(Fe(II)aq)催化铁(氢)氧化物晶相转变过程是土壤铁循环重要组成，对土壤元素的生物地球化学过程存在重要影响。这一过程近十年来被发现并逐渐成为关注点。Fe(II)aq催化铁(氢)氧化物晶相转变过程化学机制已基本厘清，但是微生物尤其是铁循环微生物(铁还原菌/铁氧化菌)作用下这一过程的研究仍未见报道。本项目以Fe(II)aq-铁循环微生物-铁(氢)氧化物体系为研究对象，以Fe(II)aq-铁(氢)氧化物的化学作用过程为基础，构建Fe(II)aq-铁还原菌-铁(氢)氧化物及Fe(II)aq-铁氧化菌-铁(氢)氧化物体系，利用稳定Fe同位素及结构表征手段等方法，探讨铁循环微生物作用下体系的电子传递机制及铁(氢)氧化物晶相转变过程，阐明铁循环微生物作用下，Fe(II)aq-铁(氢)氧化物相互作用的微生物作用机制，为完善土壤铁循环体系提供理论基础，为调控土壤环境质量提供科学依据。

游离态Fe(II)(Fe(II)aq)催化铁(氢)氧化物晶相转变过程是土壤铁循环重要组成，对土壤元素的生物地球化学过程存在重要影响。这一过程近十年来被发现并逐渐成为关注点。Fe(II)aq催化铁(氢)氧化物晶相转变过程化学机制已基本厘清，但是微生物尤其是铁循环微生物(铁还原菌/铁氧化菌)作用下这一过程的研究仍未见报道。本项目以Fe(II)aq-铁循环微生物-铁(氢)氧化物体系为研究对象，以Fe(II)aq-铁(氢)氧化物的化学作用过程为基础，构建Fe(II)aq-铁还原菌-铁(氢)氧化物及Fe(II)aq-铁氧化菌-铁(氢)氧化物体系，利用稳定Fe同位素及结构表征手段等方法，探讨铁循环微生物作用下体系的电子传递机制及铁(氢)氧化物晶相转变过程，阐明铁循环微生物作用下，Fe(II)aq-铁(氢)氧化物相互作用的微生物作用机制。结果表明：①反应体系的pH和初始Fe(II)浓度显著影响体系中，亚铁催化纤铁矿晶相重组的速率以及矿物相；而生物作用下，铁还原菌的存在，可通过增加体系中Fe(II)浓度，加速Fe(II)aq和氧化物矿物之间的电子传递，改变矿物重结晶途径；②游离态亚铁催化Cr取代针铁矿发生晶相重组，Cr结构取代抑制其原子交换速率；同时，Cr结构取代也抑制了针铁矿的异化铁还原过程。在亚铁催化针铁矿晶相转变过程或者针铁矿异化铁还原过程中，结构取代的Cr会被释放，并会被吸附在针铁矿表面，随着反应进行，吸附态Cr会被重新固定进入针铁矿结构中。③游离态Fe(II)驱动氧化铁矿物晶相重组耦合砷固定的过程中，能产生的过渡态*Fe(III)物种氧化性能较强，可使共存的As(III)发生氧化转化，形成As(V)，并被固定到针铁矿的矿物相中；④利用反向梯度法研究水稻土中微氧亚铁氧化过程中砷的固定机制发现，过程中生成水铁矿，As(III)在微生物群落作用下氧化生成As(V)，并被固定在水铁矿中形成共沉淀。