1、异化 Fe()还原微生物及其在环境治理中的应用研究摘要：异化 Fe(III)还原作用是一种微生物代谢，该过程使有机或无机的电子供体以 Fe(III)作为终端电子受体而被氧化，使 Fe(III)还原为 Fe(II)。本文介绍了异化 Fe(III)还原的机理及其在环境污染中的应用，希望就此加强相关研究人员的了解和重视。 关键词：异化 Fe(III)还原，还原机制，微生物 Abstract: This paper summarized the research advances in the mechanism of the Dissimilatory Fe(III) Reduction, to a
2、ttract related researchers paying more attention on this research field. Key words: Dissimilatory Fe(III) reduction, Mechanism of reduction, microorganisms 中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号： 早在 20 世纪初，Harder 就发现微生物能够还原 Fe(III)和 Mn()，1988 年 Banfield 等成功分离出两种铁还原细菌（Shewanella putrefaciens 及 Ceobactermetallare
3、ducens） ，迄今，研究人员已经从淡水、地下水、海湾沉积物、底层土壤等环境中分离得到了不同种类的异化 Fe(III)还原微生物。随着对此类微生物研究的深入，人们发现异化还原 Fe(III)微生物的特殊还原机理，使其在环境污染治理方面具有巨大的潜力。 1 异化 Fe（）还原微生物 异化 Fe（）还原微生物是具有 Fe () 还原功能的一类微生物的总称，它能够以 Fe ()作为末端电子受体氧化有机物质，并从中获得能量，异化还原 Fe ()氧化物的微生物广泛分布于细菌和古细菌中，现在已发现的铁还原菌主要包括 Geobacteriiaceae 种中的一些成员，以及一些噬温性菌和噬热菌。 研究发现，
4、利用 Fe(III)作为电子受体时一些异化铁还原菌的代谢能力比利用其他电子受体（比如硫）时的代谢能力强。某些超嗜热菌，在异化还原 Fe(III)过程中可以利用的电子供体多样，包括乙酸盐和芳香烃类化合物。 2. 异化 Fe（）还原微生物的作用机理 异化 Fe（）还原机理一直是研究热点，自从 1988 年分离得到 GS-15 金属还原菌以来，采用纯培养的方法已获得了大量的微生物还原Fe()的证据，对 Fe()的微生物还原机理也有了较为深入的认识，但由于异化 Fe（）还原微生物种类繁多，而且它们在利用 Fe（）进行无氧呼吸时进行了多次独立的进化，因此很难对 Fe（）异化还原机理形成一个总括的认识，目
5、前对于异化 Fe（）还原氧化物的机理主要有3 种观点。 2.1 直接与 Fe（）氧化物表面接触的异化还原过程 由于自然界中 Fe（）氧化物种 Fe（）氧化物大多为不溶性的，直接接触异化 Fe（）还原过程可能主要发生在外膜或外膜附近，Childers 等发现 Geobacter 异化还原金属离子，以不溶性 Fe(OH)3 为电子受体时，细胞会产生鞭毛、菌毛这类附属物，并通过鞭毛和纤毛的趋化涌动附着在金属氧化物表面，形成一种附属物结构1，微生物细胞与铁氧化物接触后，外膜亚铁血红蛋白表达增加，这些蛋白质在微生物在金属氧化物附着过程中发挥着重要的作用，具有传递电子给 Fe(III)的功能，而且分子水平
6、上的研究也证实了这些外膜蛋白的存在。 2.2 电子穿梭体对 Fe（）还原的促进作用 所谓电子穿梭体是一种能够介入异化还原体系，起电子传输载体作用的小分子。这类小分子处于氧化态时，可作为细胞的最终电子受体，不断从外膜蛋白接受电子，再把电子传给 Fe（） ，完成 Fe（）还原，其中腐殖质和蒽醌类物质可以起到电子穿梭体的作用。 研究表明外加腐殖质类物质或者水溶性奎宁类物质比如蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS）后增加了 G.metallireducens 的还原能力。另外，作为微生物直接还原 Fe(III)反应中电子传递链的必要组分Fe(III)还原酶的存在已得到证实，并且大部分存在于微生物细胞外膜部
7、分。 2.3 铁螯合剂对 Fe（）的促进作用 Fe（）螯合剂和 Fe（）螯合剂在体系中起着不同的作用，Fe（）螯合剂，如邻菲洛林，可以与 Fe2+离子螯合，防止 Fe2+离子吸附在细胞表面或沉积在反应物的表面，阻碍铁化合物的还原。而Fe（）螯合剂，如氮三乙酸（NTA） ，则是通过一下两种方式提高铁还原率：直接弱化铁的氧化物表面的 Fe-O 键，降低直接接触后异化还原的能垒，同时可扩展微生物可还原铁氧化物矿的晶体类型。形成可溶性的游离的 Fe（）螯合物，消除、降低直接吸附接触还原的必要2。 3.异化 Fe（）还原微生物在环境中的应用 现有的研究表明，许多异化 Fe(III)还原微生物除了 Fe(
8、III)外，还可以利用 S、NO3-、延胡索酸等一种或多种无机或有机电子受体。电子供体方面也是多种多样，除 H2 外，最常见的则是有机酸，尤其是短链有机酸，如甲酸、乙酸、丙酮酸、琥珀酸等。John3等的研究表明，异化Fe()还原微生物可以利用猪粪尿中的挥发性脂肪酸为电子供体，迅速消除产生恶臭的化合物，而原材料废物中不含 Fe()或未被异化 Fe()还原微生物处理过的粪便，其 pH 迅速下降、挥发性脂肪酸含量明显增加。Jung 利用异化 Fe()还原微生物可以氧化有机物产生电能的作用机理，设计出了单室微生物燃料电池并将其用于处理猪肉产品加工废水，其可去除废水中的挥发性有机酸 99%以上，并且同时
9、对芳香族化合物、吲哚、挥发性脂肪酸等有良好的去除效果，显著抑制了恶臭气体的挥发，进一步研究发现，电池阳极有 Gebacter 属微生物大量富集。Hugo 等向猪粪尿中投加 FeCl3 发现，利用 Desulfitobacterium 菌属的异化 Fe()呼吸作用耦合降解芳香族化合物，也可有效抑制恶臭气体的产生。 4.异化 Fe（）还原研究的意义 随着对环境污染担忧的加剧，人们正积极寻求各种方法来解决各类环境问题。异化还原 Fe（）微生物种类繁多，在自然环境中分布广泛，在厌氧环境中可以有机物为电子供体，对挥发性脂肪酸、芳香烃等多种污染物进行降解，另外该类微生物同样对重金属、放射性核属等同样具有还原吸附作用。异化还原 Fe(III)微生物的特殊还原机理，使其在环境污染治理方面具有巨大的潜力。 参考文献 1. 冯雅丽, 周良, 祝学远等. Geobacter metallireducens 异化还原铁氧化物三种方式J. 北京科技大学学报, 2006, 28(6): 524-529. 2 曲东, Sylvia S. 纯培养条件下不同氧化铁的微生物还原能力J. 微生物学报, 2001, 41(6): 745749. 3 谭盈盈, 郑平, 姜辛. 微生物作用下 Fe()对有机污染物的氧化J. 浙江大学学报, 2002 , 28 (3): 350-354.
