碳源对水稻土微生物铁还原和发酵产氢过程的影响

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在微生物的Fe(III)还原机理中,共代谢铁还原已被高度重视,目前有关异化铁还原过程与不同电子供体关系及其土壤微生物群落结构变化的研究较为广泛,多数研究认为铁还原过程不是发酵微生物的主要生物学过程,而对铁还原微生物还原Fe(III)的过程是否直接利用发酵产物H2作为电子供体的机理研究较少。因此,研究铁还原过程中微生物发酵产氢同Fe(III)还原之间的关系,对于阐明依赖发酵产物H2还原Fe(III)的机理,探讨厌氧条件下微生物铁还原过程对厌氧电子传递过程的贡献具有重要的意义,同时有助于认识微生物铁还原过程在厌氧电子传递过程中的重要性。本文主要通过对典型水稻土进行泥浆培养试验,土壤浸提液接种微生物混合培养试验以及典型铁还原菌株纯培养试验,测定培养过程中体系的Fe(II)含量,pH和H2分压。然后分析三者之间的关系揭示碳源种类和浓度对淹水水稻土体系微生物铁还原能力和发酵产氢能力的影响。主要得到以下结论:(1)供试的四种水稻土利用相同碳源时的铁还原能力基本表现为,吉林,天津水稻土较好,贵州水稻土次之,而宁夏水稻土较弱。总体来看,不同碳源对四种供试水稻土微生物铁还原的促进作用表现为丙酮酸盐和葡糖糖>乳酸盐>乙酸盐。不同水稻土的铁还原特征主要受到土壤性质的影响,其中无定型铁含量是影响土壤铁还原潜势的主要因素,无定形铁含量较低的水稻土对外源添加的碳源不敏感。此外,土壤全磷含量过高时也对铁还原过程产生一定的抑制作用,添加碳源后体系pH同Fe(II)累积量之间显著负相关。(2)碳源的浓度对Fe(III)还原量的影响受到pH的强烈影响,多数水稻土微生物群落结构的培养结果表明碳源浓度最低的处理(葡萄糖4mmol/L,丙酮酸钠8mmol/L)Fe(II)的累积速率最快,稳定时Fe(II)的累积量大于高浓度的碳源处理。而随着碳源浓度的升高,铁还原微生物群落还原Fe(III)时的电子利用率显著降低,在葡萄糖浓度较低的处理中,铁还原过程是电子传递的主要途径,电子利用率可达到80%。(3)水稻土微生物发酵产氢的过程主要受到不同种类碳源的影响,H2分压表现为葡萄糖>丙酮酸钠>乳酸钠的处理。而不同微生物群落添加不同浓度的碳源后,体系的H2分压随着所添加碳源浓度的升高而升高。碳源浓度主要影响发酵产氢过程的最大H2分压,而体系H2的累积和消耗主要受到不同来源的水稻土微生物群落结构的影响,微生物发酵产氢过程中H2分压同体系pH显著负相关。(4)四株供试菌株中除了菌株SC-a18铁还原能力较低外,其他的3株典型铁还原微生物利用不同浓度的葡萄糖时,表现为添加葡萄糖浓度越高,体系的Fe(III)还原潜势越大,体系的铁还原能力越强。不同铁还原微生物对碳源的利用率不同,但是普遍低于5%,在实验所添加的葡萄糖浓度范围内铁还原途径依然是纯培养过程中厌氧电子传递的次要途径,而当体系的葡萄糖浓度低于4mmol/L时,体系仅有少量的Fe(III)被还原。
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