【摘 要】
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论文以希瓦氏金属还原菌(Shewanella)为试验菌种,研究了不同种类铁矿物、以及粒径等因素对铁氧化物(细颗粒赤铁矿、粗颗粒赤铁矿、针铁矿)异化还原的影响;探讨了氧化还原中介
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论文以希瓦氏金属还原菌(Shewanella)为试验菌种,研究了不同种类铁矿物、以及粒径等因素对铁氧化物(细颗粒赤铁矿、粗颗粒赤铁矿、针铁矿)异化还原的影响;探讨了氧化还原中介体9,10-蒽醌-2-二磺酸(AQS)对上述反应过程的影响。运用循环伏安法(CV)、电化学交流阻抗(EIS)等电化学分析技术研究铁氧化物在有菌体系中的电化学行为,从电化学角度揭示铁氧化物的异化还原机理。根据上述实验得到的数据,得到的结论如下:通过粒径扫描仪可知,三种铁氧化物的平均粒径大小为:粗颗粒赤铁矿(116.3μm)>针铁矿(45.76μm)>细颗粒赤铁矿(9.371μm)。在添加相同剂量的铁矿物、含菌量、AQS以及相同的外部条件时,三者的氧化还原程度从大到小:细颗粒赤铁矿>针铁矿>粗颗粒赤铁矿。从这我们可以看出铁氧化物的粒径越小,铁氧化物越容易被还原。添加铁氧化物之后,CV扫描图中开始出现菌的特征氧化峰(E_p约-0.55V左右,相对于Ag/Ag Cl电极)。这说明铁氧化物的存在,促进微生物呼吸作用,微生物呼吸产生的电子一部分传递给电极,另一部分促进了铁氧化物的微生物异化还原过程。利用电化学方法研究AQS对铁氧化物氧化还原的影响。在体系中添加AQS之后和未添加AQS时的总铁离子含量有很大的变化。细颗粒赤铁矿中,铁离子的浓度(3.32m M)可达到无AQS体系中铁离子浓度(0.29m M)的11倍;粗颗粒赤铁矿中,铁离子的浓度是无AQS体系中铁离子浓度约7倍;针铁矿中,铁离子的浓度是无AQS体系中铁离子浓度约5倍。这说明添加AQS以后,AQS能促进铁氧化物的微生物异化还原,及微生物的呼吸作用,进而促进微生物与电极之间的相互作用。通过CV研究发现,在有菌体系中,随着时间的增加,单室和双室体系均会出现两个氧化峰和一个还原峰。在对铁氧化物进行阳极扫描时,第一个氧化峰(E_p约-0.55V左右,相对于Ag/Ag Cl电极)是由希瓦氏菌所引起,第二个氧化峰(E_p约+0.3V左右,相对于Ag/Ag Cl电极)则是铁氧化物氧化为亚铁及亚铁进一步氧化为Fe(Ⅲ)而出现的,还原峰(E_p约-0.7V左右,相对于Ag/Ag Cl电极)应属于Fe(Ⅲ)的还原。EIS的测量表明铁氧化物的加入,会在电极表面形成一层生物膜,增加整个体系的欧姆内阻;AQS的加入使得铁氧化物的氧化还原速率增加,从而加速体系的氧化还原反应。通过CV和EIS研究表明,在单室体系中,细颗粒赤铁矿的铁离子还原程度远远大于粗颗粒赤铁矿的铁离子还原程度,而加+0.2V电压后,对于整体的铁还原程度却没有明显的影响;在双室体系中,铁离子还原程度:细颗粒赤铁矿>针铁矿>粗颗粒赤铁矿。我们由CV和EIS推断出可能的电子传递过程,没有铁氧化物时,体系内部微生物呼吸过程中产生的电子传递给电极;加入铁氧化后,作为电子受体,使得微生物呼吸作用得到加强,电子在微生物-电极之间的传递作用也随之增加。从CV上可以看出,生物呼吸产生的氧化峰(E_p约-0.55V左右,相对于Ag/Ag Cl电极)强度变化趋势十分明显。这说明在铁的微生物异化还原条件下,微生物呼吸作用得到增强,发生在微生物和电极之间的电子传递过程也随之得到提高。
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