科学研究

刘晓磊:子囊真菌耦合Mn(II)与Cr(III)氧化反应的机理研究【ES&T,2021】
2021-12-31 阅读:7616

锰氧化物被认为是表生环境(如土壤、地下水等)中最主要的Cr(III)氧化剂。自然环境中,绝大多数锰氧化物的生成均与微生物活动密切相关。故而,锰氧化物氧化Cr(III)的过程极可能遭受微生物活动及其代谢产物的影响,是微生物、锰氧化物及其他环境因素共同作用的结果。前人研究多集中在模式锰氧化细菌耦合Mn(II)Cr(III)的氧化过程,或者环境因素对生物成因锰氧化物氧化Cr(III)过程的影响。由于模式锰氧化细菌主要通过胞外酶促反应介导Mn(II)的氧化过程,在锰氧化细菌耦合Mn(II)Cr(III)的氧化反应中,Cr(III)往往会与Mn(II)对细菌分泌的胞外酶的活性反应位点进行竞争,抑制锰氧化物的形成,进而对Cr(III)的氧化速率产生影响。但是近年来,随着对微生物锰氧化机制的深入研究,发现除胞外酶介导的锰氧化机制外,其他类型的锰氧化途径如超氧自由基介导的Mn(II)的机制也广泛存在于细菌及真菌等类群中。但是,目前尚不清楚Cr(III)对不同类型锰氧化机制氧化Mn(II)过程的影响及相应的Cr(III)的氧化速率。

针对上述科学问题,我校水资源与环境学院刘晓磊博士后在董海良教授指导下,考虑到子囊真菌具有不同类型的锰氧化机制,选取了三种不同的子囊真菌,探究锰氧化真菌耦合Mn(II)Cr(III)氧化反应的动力学过程及机理。通过系统的研究分析,取得如下创新性成果:

1)与以往报道的锰氧化细菌耦合Mn(II)Cr(III)氧化反应的结果不同,发现Cr(III)对不同种类锰氧化真菌氧化Mn(II)的动力学过程的影响不同,与其相应的锰氧化机制紧密关联(图1)。Cr(III)的存在促进了真菌依赖活体菌丝氧化Mn(II)的过程,而抑制了依赖胞外酶/代谢产物氧化Mn(II)的过程。

2)不同种类真菌的Mn(II)-Cr(III)共培养体系中,Cr(III)的氧化速率受Cr(III)的赋存状态、真菌吸附/还原Cr(VI)的能力及有机质含量的影响(图2)。

3)真菌生成的锰氧化物的形貌及其与菌丝的空间分布关系,与真菌的种类及Cr(III)的存在密切相关(图3)。

本研究结果表明锰氧化真菌在锰与铬元素生物地球化学循环中起着重要的作用,同时对于地质成因铬污染物的来源及铬污染场地治理产物的稳定性具有重要的指示意义。

图1 真菌耦合Mn(II)与Cr(III)氧化反应中Mn(II)的氧化速率


图2 真菌耦合Mn(II)与Cr(III)氧化反应中Cr(VI)的生成速率

图3 锰氧化物形貌特征及其与真菌菌丝间的空间分布关系

上述研究成果发表在环境科学与工程领域国际权威刊物 Environmental Science & Technology》上:Liu X.L., Dong H.L., Hansel M. C. Coupled Mn(II) and Cr(III) oxidation mediated by Ascomycete fungi. Environmental Science & Technology, 2021, 55: 16236-16245. [IF2020=9.028]

全文链接:https://doi.org/10.1021/acs.est.1c05341