微生物介導的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦研究進展

劉同旭，程寬 , ，陳丹丹，王瑩，殷云璐，李芳柏**

1. 中國科學院廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640；2. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術研究所，廣東 廣州 510650；3. 中國科學院大學，北京 100039

微生物驅(qū)動的亞鐵氧化過程與元素循環(huán)、重金屬遷移轉(zhuǎn)化息息相關，對深入了解地球化學過程和環(huán)境保護具有重要意義（Karimian et al.，2018；Melton et al.，2014；Tagliabue et al.，2017）。在酸性和微氧環(huán)境中，嗜酸性和微氧型鐵氧化微生物與氧氣競爭，利用亞鐵作為電子供體促進自身生長（Edwards et al.，2000；Lueder et al.，2018）。在中性厭氧條件下，光合型亞鐵氧化微生物和硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物是氧化亞鐵的主要微生物（Lliros et al.，2015；Melton et al.，2012）。硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物因其無需依賴光源，在環(huán)境中分布廣泛，種類眾多，一直受到研究者的廣泛關注（Schaedler et al.，2018）。

硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物首次發(fā)現(xiàn)于淡水沉積物中，隨后的研究發(fā)現(xiàn)這類微生物普遍存在于河流、濕地、熱泉、稻田等中性厭氧環(huán)境中（Hu et al.，2017；Sorokina et al.，2012a；Straub et al.，1996）。關于硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物還原硝酸鹽和氧化亞鐵過程的研究發(fā)現(xiàn)亞鐵氧化后生成種類繁多的礦物。這些礦物不僅游離于胞外，還可以附著在細胞表面或積聚于細胞周質(zhì)內(nèi)造成細胞的結(jié)殼現(xiàn)象（Miot et al.，2008）。硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動亞鐵氧化成礦的機制主要有兩個：（1）硝酸鹽的還原產(chǎn)物亞硝酸鹽與亞鐵發(fā)生化學反應的化學亞鐵氧化成礦機制；（2）微生物直接氧化亞鐵的生物亞鐵氧化成礦機制。兩種成礦機制在微生物驅(qū)動的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化過程中同時發(fā)生、互相影響，使亞鐵氧化成礦過程更加復雜（Carlson et al.，2012；Jamieson et al.，2018）。

相同的硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物在不同的培養(yǎng)條件下驅(qū)動的亞鐵氧化成礦種類和結(jié)晶度各有差異。前期的研究表明，溶液中的化學物質(zhì)組分、外源添加的礦物和微生物分泌的有機物對亞鐵氧化成礦具有重要的導向作用（Chatellier et al.，2004；Larese-Casanova et al.，2010；Pedrot et al.，2011）。此外，鐵氧化微生物在亞鐵氧化過程中形成礦物與細胞緊密結(jié)合，形成特有的結(jié)殼現(xiàn)象，對微生物的遷移和新陳代謝過程產(chǎn)生影響（Nordhoff et al.，2017）。關于硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)殼現(xiàn)象普遍存在于硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化過程，且結(jié)殼對不同的微生物影響并不相同（Kappler et al.，2005；Nordhoff et al.，2017）。

目前有關硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的研究中，主要關注微生物硝酸鹽還原或亞鐵氧化的過程及效應，很少將成礦作為主要的科學問題進行研究。鑒于解析成礦過程和影響因素有助于進一步理解微生物參與的元素地球化學循環(huán)和在環(huán)境治理方面的廣泛運用前景，本文綜述了硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物氧化亞鐵成礦的產(chǎn)生機制、影響因素及其對微生物和環(huán)境的效應。

1 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動的不同形態(tài)的亞鐵氧化成礦

Straub et al.（1996）首次研究硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物時，發(fā)現(xiàn)溶解態(tài)的硫酸亞鐵添加后體系中出現(xiàn)鐵銹般的紅棕色沉淀，而加入黑色的固態(tài)硫化亞鐵后，黑色礦物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊S色。表1列舉了近 20年來部分用于研究亞鐵氧化成礦的硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物屬種、成礦種類、成礦位置等。由表1可知，微生物可以氧化不同形態(tài)的亞鐵，主要分成三類：溶解態(tài)的無機亞鐵、有機配體態(tài)的亞鐵和固態(tài)的亞鐵礦物。

溶解態(tài)的無機亞鐵如硫酸亞鐵和氯化亞鐵可以被大部分硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物氧化成礦。Benz et al.（1998）發(fā)現(xiàn)在Strain HidRe2作用下硫酸亞鐵被氧化并逐漸產(chǎn)生黃色沉淀；Li et al.（2014）分離到一株硝酸鹽還原亞鐵氧化菌 Citrobacter freundii PXL1，在添加氯化亞鐵的情況下發(fā)現(xiàn)體系中產(chǎn)生褐色沉淀；Zhang et al.（2015）在垃圾處理場的土壤中分離到一株硝酸鹽還原亞鐵氧化菌Pseudomonas sp. W1，在培養(yǎng)體系中添加硫酸亞鐵后，也發(fā)現(xiàn)有黃棕色沉淀產(chǎn)生。這些研究僅從顏色變化判斷產(chǎn)生了三價鐵礦物，并未對礦物種類進行表征。Kluegleinet al.（2014）對Psedogulbenkiana sp.2002氧化亞鐵生成的礦物進行表征，發(fā)現(xiàn)生成的黃色沉淀為針鐵礦；而Azospira bacterium PS可以氧化氯化亞鐵生成黑色的磁鐵礦（Chaudhuri et al.，2001）。Miot et al.（2008）利用SEXM和XANES手段，檢測Acidovorax sp. BoFeN1氧化氯化亞鐵后生成的礦物，發(fā)現(xiàn)除了水鐵礦之外，還包括部分無定形磷酸鐵和磷酸亞鐵沉淀。一些研究還采用了穆斯堡爾譜技術表征體系中生成的礦物，發(fā)現(xiàn)除了結(jié)晶程度較好的三價鐵氫氧化物之外，無定形的三價鐵也占有一定的比重（Dippon et al.，2012）。

溶解態(tài)的亞鐵可以在鐵氧化微生物的外膜、周質(zhì)甚至細胞質(zhì)內(nèi)發(fā)生氧化成礦（Hedrich et al.，2011）。前期研究發(fā)現(xiàn)，酸性、微氧型和光合型亞鐵氧化微生物可以將周質(zhì)和外膜生成的礦物通過有機物螯合或直接溶解等手段排出體外，防止細胞周質(zhì)和外膜沉淀礦物（Hegler et al.，2010；Kappler et al.，2004）。近期研究表明，添加溶解態(tài)的無機亞鐵之后，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的細胞表面和周質(zhì)都發(fā)現(xiàn)了礦物沉淀。如圖1所示，這些礦物緊密的包裹著細胞的外膜同時充斥在周質(zhì)內(nèi)，形成了特有的微生物結(jié)殼現(xiàn)象（Zeitvogel et al.，2017）。

圖1 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物（NRFO）驅(qū)動的不同形態(tài)的亞鐵成礦過程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of mineralization processes driven by NO3--reducing Fe(Ⅱ)-oxidizing (NRFO) bacteria in the presence of different Fe(II) species

有機配體態(tài)的亞鐵和固態(tài)的二價鐵也可以在硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的參與下發(fā)生氧化，固態(tài)的二價鐵氧化還可以造成細胞的結(jié)殼，如圖1所示。研究發(fā)現(xiàn)Paracoccus ferrooxidans BDN-1可以氧化[Fe(Ⅱ)EDTA]2-，培養(yǎng)體系中并未在周質(zhì)或細胞外膜上發(fā)現(xiàn)結(jié)殼現(xiàn)象（Kumaraswamy et al.，2006）。其他報導的可以利用[Fe(Ⅱ)EDTA]2-或Fe(Ⅱ)-NTA等有機配體態(tài)亞鐵的微生物，在培養(yǎng)的過程中無論是溶液還是細胞內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)礦物的產(chǎn)生。有機配體態(tài)亞鐵難以進入周質(zhì)，且生成溶解態(tài)的氧化產(chǎn)物，是細胞未結(jié)殼的主要原因（Chakraborty et al.，2011；Kopf et al.，2013）。固態(tài)的二價鐵也可以被硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物氧化成為新的礦物。Zhao et al.（2013）發(fā)現(xiàn)鐵還原微生物還原過后的綠脫石可以被Psedogulbenkiana sp.2002氧化并生成多種鐵氫氧化物；Acidovoraxsp.BoFeN1可以在溶解態(tài)亞鐵存在的情況下氧化固態(tài)的藍鐵礦（Miot et al.，2009）。氧化固態(tài)二價鐵礦物形成的礦物可以吸附到微生物表面造成細胞外膜的結(jié)殼，但固態(tài)的二價鐵并不能進入周質(zhì)導致成礦發(fā)生。

表1 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動的亞鐵氧化成礦研究匯總Table 1 Summary of studies on Fe(Ⅱ) mineralization processes driven by NRFO bacteria

由此可知，微生物介導的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦過程受多種因素共同影響，如微生物類型、亞鐵形態(tài)和成礦位置等。此外，在不同反應體系中，亞鐵氧化生成的不同種類的礦物也由多種因素決定。

2 亞鐵氧化成礦過程的影響因素

在中性條件下，生物和化學作用都可以使亞鐵氧化生成礦物沉淀。由表1可知，已有的關于硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的研究中亞鐵氧化生成的礦物種類繁多。目前普遍認為，亞鐵氧化成礦種類主要受溶液所含化學組分、外源添加物質(zhì)和微生物的影響（Chatellier et al.，2004；Larese-Casanova et al.，2010；Li et al.，2017a）。

Larese-Casanova et al.（2010）系統(tǒng)研究了不同緩沖液對Acidovorax sp. BoFeN1氧化亞鐵生成礦物種類的影響，發(fā)現(xiàn)在Mops緩沖液中，亞鐵氧化后主要生成纖鐵礦，而在碳酸鹽緩沖液中，針鐵礦的比例顯著增加。Mops并不具有與亞鐵絡合的能力，亞鐵氧化生成的礦物主要為晶體邊對邊排列的纖鐵礦，而碳酸鹽離子易與亞鐵絡合，并會誘導礦物的晶體排列向尖對尖的排列發(fā)展，促進針鐵礦的產(chǎn)生，這可能是造成礦物生成種類不同的主要原因（Larese-Casanova et al.，2010）。相對于碳酸鹽，添加磷酸鹽并不會誘導礦物晶型改變。磷酸鹽往往與溶液中的亞鐵形成磷酸亞鐵沉淀，一方面造成溶液中溶解態(tài)亞鐵降低，影響亞鐵的氧化速率（Straub et al.，2004）；另一方面，磷酸亞鐵還可能進一步轉(zhuǎn)化為藍鐵礦或綠銹，被亞硝酸鹽或微生物氧化形成新的三價鐵礦物（Etique et al.，2014；Pantke et al.，2012）。因此，溶液中的化學組分對礦物的形成具有重要的影響。

除溶液化學組分外，外源物質(zhì)的添加也會影響礦物的形成。研究發(fā)現(xiàn)，磁鐵礦的加入會誘導體系中產(chǎn)生新的磁鐵礦，這可能和磁鐵礦作為亞鐵成核位點有關，而針鐵礦的加入?yún)s并未引起礦物種類的變化（Dippon et al.，2012）。有機物和重金屬如砷的添加對亞鐵氧化成礦的種類影響不大，但影響形成礦物的結(jié)晶度。無論是有機物還是重金屬，很容易吸附在礦物表面，從而抑制礦物的繼續(xù)沉淀，這可能是造成礦物沉淀結(jié)晶度降低的主要原因（Hohmann et al.，2010；Larese-Casanova et al.，2010）。

微生物也是影響礦物種類的主要原因。一方面，微生物的周質(zhì)和外膜內(nèi)含有豐富的官能團，這些官能團的作用與外源添加的有機物一樣能吸附礦物，從而抑制礦物的沉淀，最終導致亞鐵氧化生成的礦物結(jié)晶度低，這一現(xiàn)象在硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的周質(zhì)和外膜上吸附的礦物多為沒有規(guī)則并以無定形的三價鐵礦物為主得到直接體現(xiàn)（Dippon et al.，2012；Klueglein et al.，2014；Larese-Casanova et al.，2010）。另一方面，不同的微生物或者相同微生物不同添加量均會影響體系中亞鐵氧化的速率，而氧化速率越快，生成的礦物結(jié)晶度就越差（Senko et al.，2005）。

圖2 微生物介導的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦示意圖（A）化學亞鐵氧化成礦過程（B）生物亞鐵氧化成礦過程Fig. 2 Schematic diagram of Fe(Ⅱ) mineralization process driven by NRFO bacteria, (A) the chemical mineralization processes and (B) the biological mineralization processes

3 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動的亞鐵氧化成礦機理

目前普遍認為，在硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物培養(yǎng)體系中，存在兩種不同的亞鐵氧化方式：（1）微生物還原硝酸鹽的產(chǎn)物亞硝酸鹽誘導的化學亞鐵氧化；（2）微生物直接利用亞鐵作為電子供體由細胞中的鐵氧化酶誘導的生物亞鐵氧化。不同型態(tài)的亞鐵在上述兩種驅(qū)動力的作用下，在周質(zhì)、細胞外膜和細胞內(nèi)發(fā)生氧化，形成種類各異的礦物沉淀，如圖2所示。兩種亞鐵氧化成礦的方式同時發(fā)生、互相耦合，對體系中的亞鐵氧化成礦產(chǎn)生重要影響（Carlson et al.，2012；Jamieson et al.，2018）。近期Liu et al.（2018）通過同位素分餾和建立動力學模型等手段，進一步說明硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物在氧化亞鐵時存在化學和生物兩種成礦機制。

3.1 硝酸鹽還原產(chǎn)物驅(qū)動的化學亞鐵氧化成礦

在中性厭氧條件下，亞鐵和硝酸鹽的反應非常有限。雖然銅、部分鐵的氫氧化物、細胞表面等可以催化兩者之間的反應，但在自然和實驗室培養(yǎng)條件下，這些催化劑的濃度較低，對亞鐵和硝酸鹽的催化作用非常有限（Picardal，2012）。微生物還原硝酸鹽的初級產(chǎn)物是亞硝酸鹽，其易與溶解態(tài)的無機亞鐵反應，除此之外，亞硝酸鹽還可以與吸附態(tài)、有機配體態(tài)和固態(tài)的亞鐵反應生成可溶的三價鐵或鐵氫氧化物沉淀（Picardal，2012；Rakshit et al.，2016；Yan et al.，2015）。因此，微生物還原硝酸鹽產(chǎn)生亞硝酸鹽是促進化學亞鐵氧化成礦的關鍵過程。

亞硝酸鹽主要由微生物體內(nèi)的硝酸鹽還原酶產(chǎn)生。在自然界或人工培養(yǎng)體系中，溶液中的硝酸鹽可以通過相應的轉(zhuǎn)運蛋白穿過周質(zhì)到達細胞質(zhì)，內(nèi)膜上的Nar蛋白將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽后，亞硝酸鹽穿過內(nèi)膜轉(zhuǎn)運到周質(zhì)（Kuypers et al.，2018；Moreno-Vivián et al.，1999）。相對于有機配體態(tài)和固態(tài)的亞鐵，游離于胞外的溶解態(tài)無機亞鐵離子可以穿過細胞外膜，進入細胞周質(zhì)與亞硝酸鹽發(fā)生反應從而形成礦物沉淀（Carlson et al.，2013）。目前尚未發(fā)現(xiàn)硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物具有周質(zhì)礦物外排能力，因此周質(zhì)內(nèi)的礦物沉淀逐漸積累，最終造成周質(zhì)的結(jié)殼現(xiàn)象（Miot et al.，2008；Schmid et al.，2014b）。也有研究認為亞鐵還可以進一步穿過細胞內(nèi)膜與細胞質(zhì)內(nèi)的亞硝酸鹽發(fā)生反應（Klueglein et al.，2014）。轉(zhuǎn)運到周質(zhì)內(nèi)的亞硝酸鹽，一部分與溶解態(tài)無機亞鐵反應成礦，一部分被周質(zhì)內(nèi)的亞硝酸鹽還原酶如 Nir還原成一氧化氮等產(chǎn)物，還有一部分可以穿過細胞外膜進入到溶液中（Kuypers et al.，2018）。

溶解態(tài)、有機配體態(tài)和固態(tài)的亞鐵都可以在胞外與周質(zhì)內(nèi)排出的亞硝酸鹽發(fā)生反應（Picardal，2012）。固態(tài)的亞鐵有兩個來源，一是直接外源添加，二是溶解態(tài)的亞鐵與溶液中的碳酸鹽、磷酸鹽甚至維生素等化學組分發(fā)生反應生成二價鐵沉淀（Miot et al.，2009）。無論是溶解態(tài)的無機亞鐵還是固態(tài)的亞鐵，其與亞硝酸鹽反應生成的礦物沉淀表面均具有較高的零點電荷，從而易吸附于微生物表面，造成微生物表面的結(jié)殼現(xiàn)象（Posth et al.，2010）。有機配體態(tài)的亞鐵如[Fe(Ⅱ)EDTA]2－與亞硝酸鹽的反應產(chǎn)物為溶解態(tài)的[Fe(Ⅱ)EDTA]-，因此有機配體態(tài)亞鐵的添加可以防止體系中產(chǎn)生礦物沉淀（Klueglein et al.，2015）。

3.2 微生物鐵氧化酶驅(qū)動的生物亞鐵成礦

在環(huán)境中，硝酸鹽和亞鐵很難發(fā)生反應，但從熱力學角度分析，兩者反應生成針鐵礦的吉布斯自由能為-96.23 kJ·mol-1。因此，在理論上，微生物利用亞鐵電子進行硝酸鹽還原并不存在能量障礙（Laufer et al.，2016）。Weber et al.（2006）發(fā)現(xiàn)Psedogulbenkiania sp. 2002可以在不添加有機物的情況下氧化溶液中的亞鐵；Zhao et al.（2013）也發(fā)現(xiàn)在不含有機物的條件下添加此類微生物，體系中的亞鐵和硝酸鹽逐漸被消耗，這表明很可能是微生物直接利用了體系中的亞鐵。在有機物和亞鐵共存的體系中，Kopf et al.（2013）成功通過動力學模型的手段研究證明，化學作用并不能有效解釋體系中有機配體態(tài)亞鐵的消耗；Liu et al.（2018）通過計算體系中乙酸鈉和硝酸鹽之間的電子平衡也發(fā)現(xiàn)，理論上微生物僅利用乙酸鈉進行硝酸鹽還原的量與體系中實際的硝酸鹽消耗量并不匹配。這些結(jié)果表明，微生物很可能利用了亞鐵的電子進行硝酸鹽的還原。

硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物的細胞外膜和周質(zhì)內(nèi)存在相應的鐵氧化酶，在氧化不同形態(tài)的亞鐵形成礦物的同時，亞鐵的電子用于硝酸鹽的還原和微生物生長（Carlson et al.，2012）。細胞色素C作為一種典型的鐵氧化蛋白已經(jīng)在多種硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物中被發(fā)現(xiàn)（Ilbert et al.，2013）。Weber et al.（2009）和 Chaudhuri et al.（2001）利用原位分析的方法測試微生物懸液光譜，發(fā)現(xiàn)存在典型的細胞色素C光譜，加入亞鐵之后細胞色素C發(fā)生還原，這一現(xiàn)象可能是細胞色素C接受溶液中亞鐵的電子而產(chǎn)生的。此外，Liu et al.（2018）在Acidovorax sp. BoFeN1的胞外聚合物中也發(fā)現(xiàn)細胞色素C的存在，并發(fā)現(xiàn)其可以和亞鐵快速反應。這些結(jié)果表明，細胞色素C可能廣泛存在于硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物體內(nèi)，在微生物直接利用鐵氧化酶氧化亞鐵過程中起到關鍵作用。He et al.（2017）通過分析大量鐵氧化微生物的基因后發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物中可能存在多種亞鐵電子傳遞鏈，相應的酶如細胞色素C鑲嵌在外膜或存在于周質(zhì)和內(nèi)膜，從而對微生物胞外和周質(zhì)內(nèi)的亞鐵氧化起到重要的作用。

4 亞鐵氧化成礦對微生物的影響

亞鐵氧化生成的礦物具有較高的零點電荷，很容易吸附于帶負電的細胞表面，造成細胞的結(jié)殼（Posth et al.，2010；Kappler et al.，2005）；周質(zhì)內(nèi)生成的礦物，也因無法排出或溶解造成周質(zhì)內(nèi)的結(jié)殼（Muehe et al.，2009）。酸性、微氧型及光合型鐵氧化微生物均被發(fā)現(xiàn)有相應的機制防止細胞表面或周質(zhì)產(chǎn)生結(jié)殼，如于胞外分泌有機質(zhì)隔離沉淀礦物，保持細胞表面電中性以減小礦物吸附，甚至可以通過降低細胞表面的pH使礦物溶解（Hegler et al.，2010；Wu et al.，2014）。然而，目前尚未在硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物中發(fā)現(xiàn)防止結(jié)殼產(chǎn)生的機制，而結(jié)殼現(xiàn)象的普遍發(fā)生，對微生物產(chǎn)生了重要的影響。

亞鐵氧化生成的結(jié)殼，可以對微生物的生命活動產(chǎn)生強烈的抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，在僅以有機物作為電子供體時，部分硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物可以正常生長，然而加入亞鐵之后，微生物的表面和周質(zhì)內(nèi)很快發(fā)生了嚴重的結(jié)殼現(xiàn)象，同時體系中硝酸鹽和有機物消耗明顯降低甚至停止，微生物的生長受到了抑制（Li et al.，2017a；Hu et al.，2017）。結(jié)殼作為微生物亞鐵氧化的產(chǎn)物，一方面緊密的包裹細胞，影響微生物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和有害物質(zhì)的排放，甚至降低微生物的移動性，使微生物的生存面臨嚴重的挑戰(zhàn)（Kappler et al.，2005；Chen et al.，2018）；另一方面，結(jié)殼還會包裹微生物功能蛋白造成相應蛋白的失活，影響微生物的新陳代謝，例如，在周質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的結(jié)殼可以包裹亞硝酸鹽還原酶Nir，導致亞硝酸鹽的還原受到限制從而大量積累（Chakraborty et al.，2013a）。

雖然硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物不能防止結(jié)殼產(chǎn)生，但部分微生物可以通過分泌胞外聚合物（EPS）減少結(jié)殼對微生物的影響。Acidovorax sp.BoFeN1在不添加亞鐵的情況下，微生物表面附著的EPS較少，而亞鐵的加入顯著促進了微生物EPS的分泌（Schmid et al.，2014a）。EPS分泌增多后微生物同樣會產(chǎn)生結(jié)殼現(xiàn)象，但與胞外形成的體積大的礦物沉淀相比，微生物表面附著的礦物粒徑較小，對微生物的包裹程度有所降低（Klueglein et al.，2014）。其他研究此種微生物的結(jié)果也表明，微生物產(chǎn)生的結(jié)殼雖然造成了部分細胞的死亡，但大部分微生物的生命活動并未受到明顯的抑制作用，可能是EPS降低了結(jié)殼對微生物影響的結(jié)果（Muehe et al.，2009）。然而通過分泌EPS降低結(jié)殼的影響在硝酸鹽還原微生物中是否普遍，微生物還存在哪些可以抑制結(jié)殼的機制，有待開展更多的研究。

近期研究發(fā)現(xiàn)，添加有機配體態(tài)的亞鐵或低濃度的亞鐵，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物并未產(chǎn)生結(jié)殼現(xiàn)象，且亞鐵的添加促進了微生物的生命活動（Chakraborty et al.，2011；Peng et al.，2018）。另外，Straub et al.（1996）發(fā)現(xiàn)富集的硝酸鹽還原亞鐵氧化群落 Culture KS不僅可將氧化亞鐵用于自養(yǎng)生長，微生物表面及周質(zhì)也未發(fā)生結(jié)殼現(xiàn)象（Nordhoff et al.，2017）。一方面，相對于Culture KS群落，單菌的反硝化基因可能并不完善，因而體系中產(chǎn)生的亞硝酸鹽更容易積聚，從而與亞鐵反應造成細胞結(jié)殼；另一方面，在 Culture KS群落中，Gallionellaceae sp.可以分泌 EPS并供給其他微生物，這些EPS對其他微生物的能源供應和抑制結(jié)殼可能產(chǎn)生了重要的作用（He et al.，2017）。

5 環(huán)境意義

亞鐵氧化過程是地球鐵循環(huán)的重要組成部分，在中性厭氧的條件下，錳等金屬氧化物和無機組分對亞鐵的氧化能力有限。如圖3所示，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動的亞鐵氧化成礦過程補充了環(huán)境中消耗的三價鐵，對重金屬的固定和污染物的降解具有重要作用。

圖3 硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物氧化亞鐵成礦的環(huán)境意義Fig. 3 Environmental implications of Fe(Ⅱ) mineralization processes driven by NRFO bacteria

利用鐵的氫氧化物的吸附或共沉淀作用去除環(huán)境中的重金屬是降低重金屬污染的有效措施（Borch et al.，2010）。Hohmann et al.（2010）發(fā)現(xiàn)，Acidovorax sp. BoFeN1不僅對五價和三價砷有較高的耐受能力，且亞鐵氧化生成的針鐵礦對兩種價態(tài)的砷都具有良好的吸附性能，通過固定砷降低砷污染。在Psedogulbenkiana sp. 2002培養(yǎng)體系中，砷主要吸附在微生物和礦物的聚集體上，增加鐵和砷比例可以增加砷的去除效率（Xiu et al.，2016）。近期Wang et al.（2018）也發(fā)現(xiàn)，在水稻土中添加亞鐵和硝酸鹽可以顯著降低水稻和土壤中砷的濃度，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物可能在砷的去除過程中扮演著重要的角色。除了固定重金屬砷以外，微生物還原硝酸鹽氧化亞鐵的過程中形成的礦物-微生物聚合體對鎘、鉛、鎳和鋅等重金屬也有顯著的固定效果（Li et al.，2017b）。

鐵氧化微生物氧化亞鐵生成的三價鐵礦物，是鐵還原微生物良好的電子受體（Miot et al.，2016）。微生物在促進鐵循環(huán)的過程中，也會對污染物的降解產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，在鐵還原微生物和硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物共存的條件下，鐵氧化微生物可以還原硝酸鹽，而鐵還原微生物可以利用有機污染物如苯甲酸作為電子供體，將其還原成二氧化碳和水。三價鐵礦物和溶解態(tài)亞鐵相互轉(zhuǎn)變，使體系中硝酸鹽和苯甲酸得以持續(xù)降解（Straub et al.，2004）。

6 展望

本文主要綜述了微生物介導的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦的產(chǎn)生與效應?，F(xiàn)有研究表明：微生物介導的硝酸鹽還原亞鐵氧化過程中，微生物可以通過直接（如鐵氧化酶作用）或間接（如硝酸鹽還原產(chǎn)物化學作用）兩種不同的氧化方式氧化不同形態(tài)的亞鐵形成Fe(Ⅲ)礦物沉淀。成礦過程可能與以下生物地球化學過程有關：造成細胞的結(jié)殼現(xiàn)象從而抑制微生物的生命活動；為鐵氧化菌提供良好電子受體；吸附或共沉淀有毒有害重金屬從而保護環(huán)境。因此，硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物驅(qū)動的亞鐵氧化成礦過程，聯(lián)系著地球上各個圈層的變化和污染物降解，對研究元素地球化學循環(huán)，維持生態(tài)系統(tǒng)的有序循環(huán)，污染治理等具有重要的科學研究價值。盡管這一過程的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但仍有許多問題需要我們持續(xù)關注。

（1）硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物體系中，存在著化學和生物兩種亞鐵氧化成礦機制，兩種機制同時發(fā)生，互相耦合。因此如何解析兩種不同的反應機制？如何定量評估兩種機制生成礦物沉淀的相對貢獻？同位素技術作為一種被廣泛應用于元素地球化學循環(huán)過程研究的手段，對研究硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物體系的亞鐵氧化過程具有重要的應用前景，可能是區(qū)分不同亞鐵氧化成礦的有效手段。

（2）目前的研究多關注亞鐵氧化成礦的最終產(chǎn)物，對礦物生成過程和轉(zhuǎn)化機制缺乏研究。應該從微觀的角度進行分析，在簡單的礦物表征基礎上，結(jié)合礦物學、固體物理學等學科，交叉運用多學科知識和手段闡明亞鐵-三價鐵礦物的產(chǎn)生過程和轉(zhuǎn)化機制。

（3）微生物亞鐵氧化的結(jié)殼現(xiàn)象對微生物的生長和代謝產(chǎn)生嚴重的抑制作用，但此類微生物在環(huán)境中仍然普遍存在。環(huán)境中的多變的亞鐵濃度、豐富的有機質(zhì)、復雜的微生物組成可能是硝酸鹽還原亞鐵氧化微生物規(guī)避結(jié)殼的重要機制，這需要我們結(jié)合自然環(huán)境和實驗室研究作進一步的分析。

（4）微生物介導的硝酸鹽還原耦合亞鐵氧化成礦的過程為環(huán)境提供了豐富的三價鐵礦物，這些礦物具有較高的生物利用性和巨大的比表面積，可以有效促進污染物的降解、重金屬的吸附和共沉淀。如何有效利用這些過程和機制進行高效的環(huán)境治理需要進一步探索。