氧化铁导带介导中性厌氧亚铁氧化的电子传递机制

Interaction between microorganisms and minerals is the core process of energy exchange and substance circulation on the earth surface, mineral because of its unique energy structures and semiconductor properties, plays a special role in the electron transfer between microbe and mineral. In the process of anaerobic Fe(II) oxidation by microbes at circumneutral pH containing the widely existed minerals, how does minerals affect the Fe(II) oxidation process and which roles the minerals play? How the conduction band of minerals mediate the electron transfer between Fe(II) and microbes? These are the key scientific problems that we need to make a clear explanation. This project will focus on the Fe(II) oxidation kinetics in the system of Fe(II)-iron oxide-FeOBs to clarify the relationship between iron oxide semiconductor properties/FeOBs species and reaction kinetics; the study of Fe(II) oxidation kinetics in Fe(II)-iron oxide-function protein system and the semiconducting performance of mineral will be conducted to explain the electron transfer mechanism on the molecular level; Based on this, we try to acquire the elementary reaction of bacteria and protein systems to construct the reaction kinetics model, and further to assess the relative contribution of mineral conduction band mediated mechanism in the Fe(II) oxidation process，which provides a scientific basis for the further understanding of the function and role of iron oxide in the Fe(II) oxidation process.

微生物与矿物的相互作用是地球表层能量交换与物质循环的核心过程，矿物由于其独特的能级结构和半导体性质，在微生物-矿物的电子传递过程中扮演特殊角色。在中性厌氧微生物亚铁氧化过程中，矿物的存在如何影响亚铁氧化过程，矿物的导带如何介导其中的电子传递机制是本申请的核心科学问题。本项目将以亚铁-氧化铁-亚铁氧化菌体系的亚铁氧化动力学为重点，阐明氧化铁半导体性质、亚铁氧化菌种类与反应动力学的关系；以亚铁氧化菌的功能蛋白为切入点，研究亚铁-氧化铁-功能蛋白体系的亚铁氧化动力学和体系中氧化铁的半导体性能，从分子层面阐述氧化铁导带介导功能蛋白氧化Fe(II)的电子传递机制；在此基础上，解析菌体系和蛋白体系的基元反应，构建反应动力学模型，定量评估半导体导带介导Fe(II)-氧化铁导带-亚铁氧化蛋白/菌间电子传递的相对贡献。为深入理解氧化铁半导体在亚铁氧化过程中电子传递的功能和角色提供科学依据。

土壤矿物由于其独特的能级结构和半导体性质，在以电子转移为核心的微生物与矿物相互作用中扮演特殊角色。在中性厌氧微生物亚铁氧化过程中，矿物的存在如何影响亚铁氧化过程，矿物的导带如何介导其电子传递机制目前仍不清楚。本项目通过构建“亚铁+矿物+亚铁氧化菌”体系，研究赤铁矿对硝酸盐还原亚铁氧化菌氧化亚铁过程的影响，通过对体系中亚铁、硝酸盐动力学研究，表明了赤铁矿促进了微生物硝酸盐还原亚铁氧化过程，通过成矿表征这可能是由于矿物的表面提供反应活性位点，降低了细菌表面结壳现象，从而促进了亚铁氧化过程；以模式亚铁氧化蛋白为切入点，采用电化学方法研究了吸附态亚铁、吸附态蛋白及矿物的热力学电位和界面电子转移速率，结合光化学表征等手段，提出了赤铁矿导带介导细胞色素c蛋白还原的电子传递机制，并进一步阐明由于其表面吸附电位不同引起电位差促进了导带介导电子传递过程，从而促进了微生物功能蛋白氧化亚铁过程；在此基础上，构建基元反应动力学的模型，拟合体系反应动力学数据，初步评估赤铁矿导带介导细胞色素c与亚铁间电子传递机制的相对贡献。可加深微生物-矿物相互作用机制的理解，具有重要的土壤学与环境地球科学意义。