高压条件下异化铁还原过程的实验室原位观测及微区矿化研究

Dissimilatory iron reduction (DIR) and mineralization at high hydrostatic pressures in deep-sea environments are important parts of marine carbon and iron geochemical cycles. However, because of the technical difficulties of bacterial cultures and in situ monitoring at high hydrostatic pressures, the relevant experimental researches have not yet been sufficient. In this project, the frontier technology of experimental geochemistry (in situ incubation & monitoring system of fused silica capillary- high pressure optical cell) will be applied to the experimental researches of DIR. As one of the best characterized iron-reducing bacteria, the Shewanella oneidensis (S. oneidensis) is facultative anaerobic and baroduric, so it is chosen as reference strain. The innovative objectives of this project will be: 1) In situ monitoring the reaction product (CO2) of DIR at several hydrostatic pressures, and revealing the influence of hydrostatic pressure (depth) on bacterial DIR. 2) Establishing analysis methods in situ of extracellular polymeric substances (EPS) of S. oneidensis, and exploring the influence of hydrostatic pressure on the metabolic activity and reducing capacity of S. oneidensis. 3) Analyzing the specie, form and yield of biomineralization products of S. oneidensis at several hydrostatic pressures, and evaluating the influence of hydrostatic pressure on the biomineralization process. It has important scientific value for revealing the influence of high hydrostatic pressure on bacterial DIR and mineralization, and further understanding the marine carbon and iron biogeochemical cycles.

深海高压条件下的异化铁还原及生物矿化过程是海洋铁、碳地球化学循环的重要环节。然而，由于高压培养和原位观测等实验技术的限制，相关研究还较为薄弱。本项目引入熔融毛细硅管-高压可视反应腔这一先进的实验地球化学手段，以兼性厌氧的耐压细菌希瓦氏奥奈达菌（S. oneidensis菌）作为模型细菌，模拟深海高压条件下的异化铁还原过程，开展以下三方面的工作：1）对不同压力条件下异化铁还原的反应产物（CO2）进行原位观测，揭示压力（深度）对海洋异化铁还原动力学过程的影响；2）建立S. oneidensis菌胞外聚合物质（EPS）的原位分析方法，探索压力对S. oneidensis菌代谢活性及还原能力的影响；3）分析不同压力条件下S. oneidensis菌矿化产物的类型、形态及产量等微区信息，评估压力对生物矿化过程的影响。本项目研究对于深入理解深海铁、碳元素的生物地球化学循环具有重要的科学价值。

异化铁还原作用在海洋地球化学以及全球铁循环、碳循环中具有重要意义，地球化学、海洋科学、土壤与环境等多个学科领域的科学家都开展了大量的研究工作，而基于实验室纯培养的模拟研究是目前异化铁还原研究的主要途径。在反应动力学方面，很多因素会影响纯培养过程中异化铁还原的速率和程度。然而，很大程度上，模拟研究中最重要的一个环境参数—压力，由于技术上的难度却较少涉及，这也极大的限制了我们对于深海环境中异化铁还原过程的认识和理解。.. 本项目引入熔融毛细硅管-高压可视反应腔这一先进的实验地球化学手段，以实验室合成的水铁矿作为铁源，构建中性pH、厌氧以及高压条件，开展了不同压力条件下Shewanella Oneidensis MR-1和Shewanella Piezotolerans WP3对水铁矿的还原模拟实验。本项目设计了4个压力梯度，分别为0.1 MPa、5 MPa、15 MPa、30 MPa，系统研究了不同的压力条件下细菌还原水铁矿的过程，测定了溶液态二价铁（Fe(aq)2+）、溶液态总铁（Fe(aq)T）、吸附态二价铁（Fe(sorb)2+）、吸附态总铁（Fe(sorb)T），以及pH、细菌数量的变化。在反应物及其他外界条件一致的情况下，整体的铁还原速率为0.1 MPa ＞ 5 MPa ＞ 15 MPa ＞ 30 MPa。同时，对反应30天后的细菌和矿物进行了扫描电镜分析。在5 MPa、15 MPa和30 MPa的压力条件下，均能发现细菌在水铁矿表面的吸附，其中5 MPa条件下，细菌的吸附现象更为明显，而0.1 MPa（常压）条件下难以发现相应的吸附现象，初步推测静水压力有利于细菌在矿物表面的吸附，而吸附将提升细菌与矿物的反应速率。本项目研究对于深入理解深海铁、碳元素的生物地球化学循环具有重要的科学价值。