海洋光合铁氧化菌在厌氧富Si条件下的Fe(II)氧化和生物矿化实验模拟研究

Photoferrotrophic Fe(II) oxidizing bacteria (photoferrotrophs) could oxidize Fe(II) anoxically and induce the precipitation of Fe(III) minerals outside the cells, thus they are suggested to have contributed to the processes of Fe cycling on Earth, in particular, the Precambrian Banded Iron Formations (BIF). BIF was suggested to deposit from Precambrian marine environment, which is quite different from that of the freshwater. However, most studies dealing with photoferrotrophs and their potential roles in BIF’s formation focused on freshwater strains, which fragmented our understanding of how Fe(II) was oxidized in anoxic marine conditions and subsequently deposited to the Fe minerals in BIF on early Earth. In this study, Fe(II) oxidation processes and the Fe mineralization products of a marine photoferrotroph isolated from North Sea, will be examined under anoxic Si-rich conditions at varies light intensities and initial Fe(II) concentrations, aiming to simulate the Precambrian marine environment. This study would enable us a better understanding of the Fe(II) oxidation mechanism in anoxic marine environment on early Earth, and the possible microbial processes involved in marine Fe cycling and BIF deposition.

光合铁氧化菌可将Fe(II)厌氧氧化并诱导合成纳米级铁氧化物颗粒，从而广泛参与地球Fe元素循环和成矿，尤其是前寒武纪的条带状铁建造(BIF)。BIF形成于前寒武纪海洋环境，与淡水环境性质截然不同，然而目前对光合铁氧化菌及其可能参与BIF成矿的研究仅集中在几株淡水菌上，严重制约了对微生物参与缺氧环境下的Fe(II)氧化和BIF成矿过程理解。本项目拟以分离自北海的一株海洋光合铁氧化菌为研究对象，通过生物矿化模拟方法，在实验室建立厌氧、光照、富集Fe(II)和Si的矿化实验模拟体系，研究细菌在不同光照强度和不同初始Fe(II)浓度下的厌氧Fe(II)氧化和矿化过程，获得在类似前寒武纪海洋环境下的微生物氧化Fe(II)速率和能力，以及生物矿化产物（铁氧化物）性质，反演地球演化早期海洋缺氧环境下的Fe(II)氧化过程，探讨微生物参与海洋Fe元素循环和BIF成矿机制。

前寒武纪的大规模条带状铁建造（BIF），提供了世界上重要的铁矿石资源。然而对BIF中的含Fe矿物如赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿等的形成过程和机制，尤其是深海热液中的Fe(II)是如何被氧化形成Fe(III)，以及Fe(II)氧化过程中的Fe同位素分馏，以及微生物可能参与过程及贡献程度等，尚不清楚。本研究以光合铁氧化菌和蓝细菌为研究对象，在实验室模拟前寒武纪海洋环境，进行微生物铁氧化实验，研究Fe(II)氧化过程和产物，以及Fe同位素馏过程，并成功构建了一个可用于在梯度分层的物理化学条件下连续培养光合菌的反应柱，旨在促进微生物参与BIF成矿过程的实验模拟研究。.分离自北海的光合铁氧化菌 Rhodovulum iodosum光合铁氧化过程中伴随着Fe 同位素分馏。随着Fe(II)逐渐被氧化，体系残余的Fe(II)aq的δ56Fe值逐渐降低。Fe(III)矿化产物则相应地富集重铁。瑞丽分馏可以很好的拟合Fe(II)aq和Fe(III)ppt 的Fe同位素组成，且拟合结果显示二者的分馏系数一致，表明Si对细菌氧化Fe(II)过程的Fe同位素分馏有重要影响，如通过吸附、共沉淀等作用，影响Fe(II)aq和Fe(III)ppt二者之间的分馏。光合铁氧化菌Rhodobacter sp.SW2氧化Fe(II)过程中，除了初期O2引起的动力分馏，体系中Feaq相对富集轻铁同位素，而沉淀相对富集重铁同位素，其分馏结果与BIFs中的含铁矿物Fe同位素组成是吻合的。此外,在成功构建连续培养反应柱的基础上，进行了海洋蓝细菌Synechococcus PCC7002在培养柱中的连续培养，研究结果发现，接种3天后可见光照区的绿色菌层，且氧浓度和Fe(II)在柱中呈梯度变化，其中氧气浓度从上到下逐渐降低，Fe(II)浓度从上到下逐渐升高，反映蓝细菌的光合作用产氧，和氧气的非生物氧化Fe(II)。以上实验数据表明，实验模拟可以很好揭示前寒武纪BIF形成时的微生物参与可能过程。