湖泊生態系統中微生物驅動氮-鐵耦合反應研究進展

馮 旗,李晨希,胡 娜,李術藝,何 宇,李泳哲,郭天賜,胡文龍,董依然,3*

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430078;2.武漢長江科創科技發展有限公司,湖北 武漢 430014;3.中國地質大學(武漢)生物地質與環境國家重點實驗室,湖北 武漢 430078)

湖泊的氮污染源主要分為外源和內源污染兩大類。其中,外源污染主要指未達標排放的工業生產廢水、農業灌溉用水、居民生活污水等,其大大增加了湖泊的營養鹽含量,以至超出湖泊自凈能力;內源污染是指大量含有氮的廢水進入自然水體,含氮化合物經沉降和富集共同蓄積在湖泊底泥沉積物之中,又在物理、化學或生物過程的作用下釋放重新進入水體,成為湖泊內源污染負荷[8]。盡管隨著人們環保意識的增強與相關法律法規的完善,針對外源污染的控制得到了加強,但研究證明即使截斷外源污染,湖泊的內源污染仍然足以維持其富營養化狀態[9];其主要原因是湖泊沉積物同時作為重點污染物的源與匯,是各類營養鹽的重要來源和蓄積庫,且污染釋放面積大、時間長[10]。目前,常規的底泥疏浚是削減內源污染的主要方式,但是工作量大、操作成本高[8]。

與此相比,湖泊生態系統中存在豐富多樣的微生物資源,微生物驅動不同含氮化合物的轉化可作為有效手段促進生物脫氮反應的發生。微生物過程可以催化不同價態和賦存形態的含氮化合物之間的相互轉化,參與推動氮的固定、遷移、轉化、埋藏等多個重要過程,該過程也被稱為微生物氮循環[11]。在湖泊生態系統眾多的微生物氮循環過程中(圖1)[12-13],反硝化、厭氧氨氧化過程可將可溶性的含氮化合物轉化為氣態物質,促進水體向氮限制狀態轉化。鐵是地球上分布最廣泛的金屬之一,Fe(Ⅲ)與Fe(Ⅱ)之間的轉化過程可與氮循環耦聯,通過氮-鐵耦合反應形成完整的氧化還原反應。在微生物的驅動下,氮-鐵耦合反應能進一步促進氮轉化,幫助湖泊進行內源脫氮。

注:圖中虛線表示全程氨氧化中間過程;括號內數據表示N的價態。圖1 湖泊生態系統中微生物氮循環過程Fig.1 Microbial nitrogen cycling processes in lake ecosystems

1 微生物驅動的氮-鐵耦合過程

具有特殊化學特性的多種含氮中間產物能與環境中其他元素(如C、S、Fe)的代謝過程耦合產生氮-鐵耦合的新途徑[1]。鐵(Fe)的地球化學豐度為5.1%[21],是生物圈中最常見的變價金屬,可以作為眾多微生物的電子或能量來源[22],主要存在形式為氧化態Fe(Ⅲ)和還原態Fe(Ⅱ)。鐵與氮氧化還原過程的耦合可以通過依賴硝酸鹽還原的鐵氧化(NDFO)、鐵氧化耦合異化硝酸鹽還原成銨[Fe(Ⅱ)-DNRA]和鐵氨氧化過程(Feammox)來實現[23]。由微生物介導的氮-鐵耦合作用能改變營養物質或金屬元素的賦存形態以及在不同界面的分布狀態,氮-鐵耦合過程已被證實是具有普遍生態學意義的生物地球化學過程,是湖泊氮循環中的重要部分[1,24]。因此,研究湖泊生態系統中由微生物驅動的氮-鐵耦合過程,有助于深刻理解湖泊生態系統中的氮-鐵循環機理,為解決內源氮負荷調節問題提供一定的理論支撐。

1.1 反硝化與依賴硝酸鹽還原的鐵氧化微生物

在微生物的驅動下,反硝化過程可與Fe(Ⅱ)轉化耦合,即依賴硝酸鹽還原的鐵氧化(nitrate-dependent ferrous iron oxidization,NDFO)過程[37-38](以下簡稱硝酸鹽還原鐵氧化)。在1996年,德國科學家Straub報道了首個由潟湖沉積物中富集的自養型硝酸鹽還原鐵氧化富集培養群落“culture KS”[38-39]。在此后的二十余年中,研究人員在廣泛分布的含鐵水圈生態系統(如富含鐵的湖泊[40]、海洋/河口沉積物[41-42]、濕地[43]、水稻田[44]等)中已發現和分離了眾多具有硝酸鹽還原鐵氧化能力的細菌和古菌[1]。參與這一反應的微生物包含多種嗜中性和厭氧微生物[45],涉及α-、β-、γ-變形菌綱等在內的8個科10個屬的微生物[46]。

前人的研究結果表明,硝酸鹽還原的鐵氧化微生物主要包括自養型、混合營養型、化學反硝化型3種營養類型[47-48],見圖2。

圖2 依賴硝酸鹽還原的鐵氧化微生物的3種主要類型Fig.2 Three main types of NDFO microorganisms

ΔGo’=-96.23 kJ/mol Fe

(1)

ΔGo’=-257.0 kJ/mol e-

(2)

ΔGo’=-88.0 kJ/mol e-

(3)

ΔGo’=-295.2 kJ/mol e-

(4)

1.2 鐵氧化耦合異化硝酸鹽還原成銨

1.3 鐵氨氧化

ΔrGm=245 kJ/mol

(5)

ΔrGm=207 kJ/mol

(6)

ΔrGm=164 kJ/mol

(7)

目前,唯一獲得分離純化的Feammox微生物為分離自新澤西州河岸濕地土壤的Acidimicrobiaceaesp.A6[90],后續工作在湖泊沉積物等多種生境中也發現了其他Acidimicrobiaceae微生物的存在[91],通常使用引物acm342f/439r對其進行分子生物學層面的分析[90]。結晶度較低的Fe(Ⅲ)礦物、較高的溶解態Fe(Ⅲ)濃度或較低的pH值均可促進Feammox過程的發生[92]。這是由于在pH值約為3時Fe(Ⅲ)即可完全沉淀(以Fe3+濃度為1.0×10-5mol/L進行計算),且該反應需要消耗H+,因此Feammox過程一般發生在酸性環境之中。據估計,Feammox過程造成的氮素損失約占每年富營養化湖泊人為氮素輸入的5.0%～9.2%,Feammox微生物單獨或與厭氧銨氧化、反硝化結合可能在富營養化湖泊沉積物的氮循環中起重要作用[91,93]。此外,也有研究發現,鐵還原過程與Feammox過程緊密相關,異化鐵還原菌可能直接參與Feammox過程,但是兩者的競爭/協同關系尚不清楚[94]。例如,Yao等[93]在太湖梅梁灣的研究中,發現了鐵氨氧化速率與鐵還原速率之間呈顯著相關性,與鐵還原菌的豐度呈正相關。這說明在氮-鐵耦合過程中,鐵還原也是需要關注的重要過程。

2 氮-鐵耦合反應過程中的鐵轉化產物

礦物結殼由Fe(Ⅱ)氧化形成,包括多種類型,如在胞外和周質中均發現了Psedogulbenkianiasp.2002氧化Fe(Ⅱ)生成的針鐵礦(goethite,α-FeOOH)[95],還發現了PseudomonasstutzeriLS-2氧化Fe(Ⅱ)生成的纖鐵礦(lepidocrocite,γ-FeOOH)[62,64]、Aquabacteriumsp.BrG2氧化Fe(Ⅱ)生成水鐵礦[ferrihydrite,FeO(OH)][58]、Dechlorosomasuillumstrain PS氧化Fe(Ⅱ)生成磁鐵礦(magnetite,Fe3O4)[97]等,這些礦物結殼與細胞表面或周質緊密結合,不利于微生物對營養物質的吸收利用,影響代謝廢物的排出,可能會引起微生物生理活性的降低或喪失[60,81]。此外,功能蛋白也可能由于被礦物結殼包裹失活,從而對微生物的新陳代謝產生影響[98]。部分NDFO微生物如Acidovoraxsp.BoFeN1還可以通過分泌EPS減少礦物結殼對其生理代謝功能的影響[98]。EPS會降低礦物結殼對微生物的包裹程度[95],減弱其對微生物活性的抑制作用。其中,硝酸鹽還原鐵氧化的次生礦物可以被微生物還原生成Fe(Ⅱ),進一步促進氮-鐵耦合過程。

3 微生物鐵還原對氮循環的潛在影響

異化鐵還原微生物(dissimilatory Fe(Ⅲ)-reducing microorganisms,DIRB)[22,99]以Fe(Ⅲ)為末端電子受體,通過氧化電子供體將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)[21,100],主要的鐵還原機理包括鐵的呼吸作用(respiratory iron reduction)和發酵鐵還原作用(fermentative iron reduction)[99]。鐵的呼吸作用是指微生物以Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)過程中獲得的能量作為唯一的能量來源,是目前地球上已知最古老的微生物代謝類型之一[101]。發酵型異化鐵還原菌是指在有機物發酵過程中,以Fe(Ⅲ)為電子受體,通過耦合氧化NAD(P)H進行Fe(Ⅲ)還原,以便NAD(P)H被循環利用的微生物,Fe(Ⅲ)還原產生的能量并不是其生長所必需的[100,102]。常見的三價鐵電子受體主要為水鐵礦、針鐵礦等[103],電子供體可為氨基酸、有機酸、氫氣等[104]。在自然界各種生態系統的厭氧環境中,幾乎都有DIRB的存在,異化鐵還原是物質循環的重要方式[105]。自1993年Lovley等[106]首次于淡水沉積物中分離得到金屬還原地桿菌(GeobactermetallireducensGS15)后,目前已報道的鐵還原微生物超過200株[21],如在缺氧或厭氧環境中分離得到的代表鐵還原微生物的地桿菌屬(Geobacter)、希瓦氏菌屬(Shewanella)、地發菌屬(Geothrix)等[107-108]。

4 結論與展望

湖泊作為微生物氮-鐵耦合的重要紐帶,存在著不同程度的硝態氮污染以及由此造成的氮素失衡問題,而在微生物驅動下進行的脫氮過程是湖泊水體氮元素自凈的重要途徑之一。自然環境中存在著大量可以驅動氮與鐵轉化的微生物。除了傳統的反硝化、異化硝酸鹽還原成銨和厭氧氨氧化,還可能通過NDFO、Fe(Ⅱ)-DNRA和Feammox,或通過與鐵轉化耦合的非生物反應進行氮-鐵耦合,從而通過鐵的氧化還原循環影響氮-鐵耦合,對湖泊生態系統中氮的去向以及鐵元素的分布產生重要影響。因此,理解微生物驅動下湖泊生態系統微生物的氮-鐵耦合過程及其機理,拓寬對湖泊生態系統氮素研究的科學思路,可為湖泊內源脫氮、維持其生態功能穩定性等具有生態環境意義的科學和工程問題提供理論支撐。

此外,仍存在一些值得深入探究的科學問題,例如:①硝酸鹽還原鐵氧化過程中的生物和非生物的定量分析,由于NDFO過程中生物過程與非生物過程緊密相關且同步發生,難以進行剝離性的試驗,針對生物與非生物作用貢獻率僅限于模型推斷,所以需要尋求能夠準確科學定量生物與非生物作用的試驗手段[62];②已知NDFO過程會形成礦物結殼,對微生物活性有抑制作用,應尋求“破殼”技術,減少礦物結殼對微生物的影響,以便在工程應用中更好地保持微生物活性[115];③混合營養型NDFO中存在兩種電子供體,即有機碳底物與Fe(Ⅱ),但其能否同時提供電子等問題還需要進一步探討,即目前對混合營養型NDFO的理解還不夠詳盡;④目前微生物鐵氧化的酶學機制尚不清楚,研究認為細胞色素c是主要的鐵氧化酶,但是否存在其他的鐵氧化酶尚不明確[45];⑤各種氮-鐵耦合途徑對湖泊內源脫氮均有一定的作用,但是目前缺乏對于各種途徑定量貢獻的系統研究和比較。

感謝“隱秘鐵循環耦合驅動硝酸鹽轉化的生物和非生物作用機制”國家自然科學基金項目(2021043180)和“微生物異養鐵還原調節地質二氧化碳封存及機理研究”國家自然科學基金項目(2019043164)的支持。