研究簡(jiǎn)介：鐵是地殼中最豐富的氧化還原活性元素。硝化-還原鐵(II)-氧化細菌已經(jīng)知道大約20年了。在多大程度上降低硝酸鹽和鐵的氧化是通過(guò)酶的途徑或由異養反硝化形成的亞硝酸鹽引起的非生物過(guò)程這個(gè)結論，已經(jīng)引起了許多爭論。到目前為止，唯一已知的實(shí)驗室可以長(cháng)期維持培養的是culture KS，這種純具有自養硝酸鹽還原Fe(II)氧化能力的培養物，然而能夠連續Fe(II)氧化和自養的能力的微生物代近些年來(lái)還未培養出來(lái)，只是在近幾年在沿海海洋沉積物中，還發(fā)現了自養硝酸鹽還原鐵(II)-氧化細菌的存在。

本論文研究的目的是通過(guò)監測底物濃度和活性的變化來(lái)評估硝酸鹽還原和鐵(II)氧化的耦合，以及對天然淺海淡水沉積物中的硝化細菌的活性對硝酸鹽和鐵的刺激(II)的影響。

Unisense微電極系統的應用

應用了溶氧微電極OX-100，氧化還原電極以及PH-100三種微電極對康斯坦斯湖沿岸所取的沉積物柱芯樣品的氧、pH、氧化還原電位等進(jìn)行了原位測試，其中對在所取的沉積物測量之前和測試期間，在沉積物中覆蓋的水進(jìn)行曝氣，這是為了還原海洋種的表面沉積物中是充滿(mǎn)了氧氣的。對于沉積物中的氧的微剖面測試采用的是手動(dòng)微推進(jìn)器，每次測試步徑為200微米。而對于氧化還原電位以及pH的微剖面測試采用的測試步徑是500微米。

實(shí)驗結果

研究發(fā)現在經(jīng)過(guò)改良的微生態(tài)系統中。鐵的生物氧化依賴(lài)于微生物同步還原硝酸的過(guò)程，此外還發(fā)現亞硝酸鹽在經(jīng)過(guò)消毒的沉積物中，亞硝酸鹽的非生物氧化反應速度不足以解釋在微生物活性沉積物中觀(guān)察到的鐵氧化速率。此外酶的基因編碼的表達水平對硝酸鹽還原至關(guān)重要，尤其受到了環(huán)境中二價(jià)鐵的刺激作用。這些結果表明，二價(jià)鐵對細菌的反硝化作用有直接的影響，并支持了微生物硝酸鹽的減少是由生物鐵（II）氧化引起的的假說(shuō)。

圖1、康斯坦斯湖沿岸沉積巖心中測試的氧，pH，氧化還原電位，和Fe(II)的剖面圖。從圖中可以看出，所取的海洋沉積物中的氧的濃度是隨著(zhù)距離界面越遠，其氧的濃度最近降低，大約在界面下4mm處體系中的氧濃度幾乎為零。對于沉積物巖心中的pH值也是隨著(zhù)沉積物界面處的深度增加表現為不斷變小。而對于氧化還原電位值表現為先減小后并最后穩定120mv，但是體系中的二價(jià)鐵則表現為隨著(zhù)距離沉積物界面處的距離增加，其二價(jià)鐵的濃度逐步增加。

圖2、在不同的微觀(guān)環(huán)境中測試的硝酸鹽(綠色)和亞硝酸鹽(紅色)的濃度(三角形、正方形和菱形符號分別代表了三倍體系的濃度)。體系中更正的濃度(5 mM的Fe(II)和Fe(III)除了從沉積物中衍生出1mM，2mM來(lái)自于硝酸鹽和亞硝酸鹽)，微觀(guān)環(huán)境的加入表示的是加入硝酸鹽或亞硝酸鹽后第60天。

圖3、亞硝酸鹽濃度(紅色)和Fe(II)/Fe(tot)比率(灰色)在生物(填充的符號)和非生物(空心結構符號)隨著(zhù)時(shí)間的變化情況(三角形，正方形，和鉆石符號顯示的三倍體系)。其中在初始修正后的Fe[II]濃度為5 mM，亞硝酸鹽濃度為2 mM，微觀(guān)體在第60天(見(jiàn)箭頭)加入亞硝酸鹽后呈現的體系濃度情況。

圖4、隨著(zhù)時(shí)間的推移，體系中溶解的有機碳(藍色鉆石符號)和揮發(fā)性脂肪酸(棒)的濃度在設置的不同微觀(guān)環(huán)境體系中隨時(shí)間的變化情況。

圖5、鐵的轉化率(同步顯示的凈利率，其中Fe[II]氧化和Fe[III]的還原都依賴(lài)于DOC的濃度。選用5mM的Fe(II)或Fe(III)和2mM的硝酸鹽或亞硝酸鹽進(jìn)行的微觀(guān)實(shí)驗的相關(guān)測試。理論鐵的轉換率顯示了Fe(II)的氧化反應只與亞硝酸鹽的反應有關(guān)的假設。理論Fe的轉換率(橙色虛線(xiàn))與實(shí)測Fe的轉化率區別。

總結

本論文主要就沿海沉積物中的Fe(II)氧化與硝酸鹽還原進(jìn)行相關(guān)研究，之前的很多研究認為，沉積物中的Fe(II)氧化對硝酸鹽還原的依賴(lài)性導致了兩個(gè)過(guò)程都是酶耦合的結論，但是結合實(shí)際觀(guān)察卻發(fā)現，普通的硝酸鹽還原菌可以通過(guò)反應性氮素，在非生物的條件下氧化Fe(II)。在反硝化過(guò)程中觀(guān)察到的這些結果引起了相關(guān)科研人員對于體系中的硝酸鹽還原與Fe(II)氧化的耦合酶是否存在產(chǎn)生懷疑，本論文基于此項研究的疑慮，結合使用了unisense微電極研究系統實(shí)現了原位的測試沉積物中的Fe(II)、氧氣、pH、氧化還原電位等相關(guān)參數，提出了沉積物中硝酸還原鐵(II)氧化的基本機理，并且得出了Fe(II)氧化與硝酸鹽還原反應主要是一種微生物介導的過(guò)程。這說(shuō)明微電極在研究海洋沉積物氮循環(huán)機理方面存在著(zhù)非常好的應用前景。