微生物铁循环对原位微观重金属吸附的控制机制

Not only microbial metabolism and molecular interaction mechanism, but also environmental components and microenvironmental gradients affect the heavy metal microbial geochemical behavior and process within complex geo-microbial systems. Microbial iron cycling as the main driving force of heavy metal microbial geochemical cycling at earlier Earth, usually coupling with heavy metal mobilization-immobilization and transform, but it is still unclear to the in situ mechanism of heavy metals sorption controlled by microbial iron cycling at microscale. Therefore, the main purpose of this proposal is focus on mapping the heavy metal sorption coupling with microbial iron cycling, to uncover the mechanism of heavy metals sorption controlled by microbial iron cycling at microscale. In the following study, iron oxidizer and reducer-metal system are chosen as the model systems, based on anoxic micro flow chamber, in situ microbial architecture, chemical composition and its surrounding microenvironment are mapped by confocal laser scanning microscopy, to reveal the in situ microscale colocalization of microbial biofilm and microscale pH gradient; discover the interplays between heavy metal sorption with microbial iron cycling and microscale pH gradient. It will improve and further the understanding of microbial iron cycling related bacteria to remove and control of heavy metal contamination in the near future.

重金属微生物地球化学行为和过程在地球微生物复杂系统中不仅受微生物代谢类型以及作用机制影响，还受环境介质以及微环境变化影响。微生物铁循环是地球早期重金属微生物地球化学循环的主要驱动力，始终伴随着重金属迁移和转化，但是原位微观微生物铁循环过程对重金属吸附的影响和控制机制依然不清楚。因此，本项目以微生物铁循环耦合的重金属吸附等环境行为原位微观研究为基础，系统研究微生物铁循环对原位微观重金属吸附的控制机制。以铁氧化还原模式细菌-重金属体系为研究对象，基于厌氧培养和微流控技术进行原位培养，采用激光扫描共聚焦显微镜分析技术，实现原位立体细菌-重金属体系以及微环境pH微观成像分析，揭示微生物铁循环对原位微观重金属吸附的控制机制，为建立以铁循环微生物为核心的环境重金属污染原位控制技术提供科学支撑。

基于微生物铁循环是微生物重金属迁移和转化行为主要驱动力，本项目以铁氧化还原细菌微生物细胞膜为研究对象。由于微生物膜物理结构和化学组成的异质性，及所处复杂微环境的地球化学梯度，造成原位微观分析技术难以实现，本研究以微生物铁循环耦合的重金属吸附等环境行为的原位微观研究为基础，采用铁氧化还原模式细菌-重金属体系为研究对象，构建厌氧培养和微流控技术的原位培养系统。采用铁氧化细菌Acidovorax sp. BoFeN1与Rhodobacter ferrooxydans SW2和铁还原细菌 Geobacter sulfurreducens 与Shewanella oneidensis MR-4研究调控细胞微环境pH，对细胞膜微矿化的影响和控制。同时采用激光扫描共聚焦显微镜分析技术，实现原位立体细菌-重金属体系以及微环境pH微观成像分析，用以研究原位微观铁氧化和铁还原微生物细胞膜组分与微环境pH梯度相互之间的共定位分布趋势和规律，阐明重金属吸附/解吸附与微生物细胞膜微观结构和组成及微环境pH梯度之间的规律。进而利用TEM和SEM观察铁氧化和还原细菌及环境矿物的变化特征。通过XRD确定了矿物类型；Raman与FTIR光谱分析表明样品中存在大量的糖类、蛋白质、氨基酸及脂质等有机化合物的化学键作用类型。通过比较铁氧化和还原细菌细胞不同代谢的差异蛋白质、代谢物、脂质与聚糖的功能，分析细胞在铁氧化过程机制。蛋白质组数据揭示铁氧化和还原细菌细胞铁运输和转化过程的蛋白组调控机制。代谢组数据揭示细胞通过合成铁金属螯合分子，用以结合铁，避免铁矿物危害，同时增强信号分子的表达以适应外界环境胁迫。脂质组数据揭示细胞通过调整细胞膜组成，维持细胞膜结构完整性，来实现环境的适应能力。糖组数据揭示细胞黏附能力的调整。整体系统结果揭示微生物铁循环对原位微观环境的控制机制。研究结果为建立以铁循环微生物为核心的环境重金属原为污染控制技术提供科学支撑。进一步推进微生物铁循环耦合的重金属环境行为过程和机制的研究。