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胡大福:有机配体提升伊利石层间结构Fe(II)的生物氧化耦合硝酸盐的还原【皇冠体育】
2023-12-01 阅读:2161


Fe(II)氧化与硝酸盐还原的耦合反应(NDFO)在生物地球化学循环中起着至关重要的作用。迄今为止,大量不同形态的Fe(II)被认为可以参与NDFO过程,譬如活性铁、零价铁、铁硫化物、混合价态铁氧化物以及含铁黏土矿物等。在这些不同形态的铁中,由于黏土矿物结构铁存在于八面体片中,因此,受到热力学约束,含铁黏土矿物被认为是生物可利用性最低的一类矿物。此外,诸多环境因素也会影响Fe的氧化还原反应,譬如铁的螯合剂(如有机配体等),这类有机质在自然环境普遍存在,能够从低分子量(如有机酸)到复杂分子(如腐殖质),促进矿物与微生物之间的电子转移。然而,有机配体是否能提升氧化还原惰性的黏土矿物的反应性和生物可利用性仍未可知。

针对以上问题,我校博士生胡大福在地学院曾强副教授和董海良教授的指导下,选取了两种典型有机配体(乙二胺四乙酸、草酸)、两种黏土矿物(伊利石、蒙脱石)以及一株模式铁氧化菌Pseudogulbenkiania sp. Strain 2002,采用多种湿化学和矿物学研究方法,探讨了不同有机配体存在和不存在的情况下的NDFO过程与电子转移机理。

论文工作主要分为以下几个方面:

1. 不添加有机配体时,伊利石中结构 Fe (II)的氧化程度较低,而且有较长的反应延滞期。这是由于相比于矿物层间结构Fe(II),胞内有机质作为更具生物可利用性的电子供体,使得Fe (II)氧化vs.硝酸盐还原的摩尔比(< 0.04)远低于预期的化学计量比(= 5)。同时,能够观察到更多的胞外聚合物的产生(1)。

2. 添加有机配体时,有机配体能够显著缩短反应的延滞期(2),增强Fe (II)的氧化,导致 Fe (II)氧化vs.硝酸盐还原的比例增加(= 0.15)。其原因在于有机配体诱导伊利石部分溶解形成了 Fe (II)-配体络合物,而Fe(II)-配体络合物比结构 Fe (II)更容易被氧化。此外,通过界面电子转移过程,Fe(III)-配体络合物能够从矿物中获取电子,重新被还原成Fe(II)-配体络合物。因此,该过程循环往复,Fe (III)-配体络合物/Fe (II)-配体络合物有效地作为电子穿梭体在伊利石和细胞之间传递电子(3),以增强伊利石中 Fe (II)的氧化作用。

我们的研究结果揭示了天然配体在扩大可用于支持土壤和沉积物中固态铁(II)的微生物氧化的电子池中的重要作用,并且对环境中的铁和氮循环偶联和其他生物地球化学过程具有重要意义。

1 不同培养体系中胞外聚合物特征

 

2 存在/不存在有机配体下,黏土矿物层间结构铁生物氧化量随时间的变化

 

3 存在/不存在有机配体时,黏土矿物与硝酸盐的电子传递过程


该研究得到了国家自然科学基金(NSFC-421925034219250042002038)和中央高校基本科研业务费的资助。成果发表在地球科学权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上:Hu, D., Zeng, Q.*, Liu, X., Hu, J., Guo, D., & Dong, H.*. Ligand enhanced bio-oxidation of structural Fe (II) in illite coupled with nitrate reduction. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2023, 08, 357, 50-63.

文章链接:http://doi.org/10.1016/j.gca.2023.07.019