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湖北恩施渔塘坝是中国典型的高硒地区之一,硒在该地的富集引起了许多环境问题。本文以渔塘坝高硒碳质泥岩样品为研究对象,采用从其中筛选出的3株具有还原亚硒酸盐能力的细菌,包括地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis SeRB-1)、芽孢杆菌(Bacillus sp.SeRB-2)和节杆菌(Arthrobacter sp.SeRB-3)作为研究工具,展开了细菌高耐受性、细菌还原亚硒酸盐动力学以及离子胁迫下的生物矿化的初步研究。通过以上研究,得到以下几点认识和结论。 (1)碳质泥岩样品中Se元素极度富集,其平均含量约为3000 mg/kg,最高可达21830mg/kg。样品中V、Mo、Cr、Zn、Cu、Ni等生物活性元素也表现出一定程度的富集,说明该泥岩样品的形成有生物活动参与。而泥岩样品中丰富的有机碳、氮的组成,以及疏松的结构为细菌生存创造条件。 (2)耐受性实验表明,随着Se(Ⅳ)浓度升高,细菌的倍增时间延长、生长速率变小、生长抑制指数变大。实验得出了细菌SeRB-1、SeRB-2和SeRB-3对亚硒酸盐的还原耐受浓度高达800 mM,细菌致死半数有效浓度高达100~150 mM,说明这3种菌属于高还原耐受亚硒酸盐菌。其中,细菌SeRB-1的延滞期较短、生长较快、适应性更强。 (3) Se(Ⅳ)浓度为1~10 mM的还原实验表明,细菌对亚硒酸盐的还原主要集中在对数生长期和稳定期前期。还原一般分为两个阶段,阶段一是从接种起到对数生长前期,该阶段,细菌生长较慢,还原速率较小;阶段二是从对数生长后期到取样结束,对数生长后期,细胞生长快、还原速率大,细菌达到稳定期后,还原速率又变小。通过细菌对不同浓度亚硒酸盐的(还原)效率计算,结合米氏方程,推导出了3种细菌的平均还原动力学方程,分别为: Ci/V=76.14+13.72Ci(SeRB-1)、Ci/V=61.49+13.21Ci(SeRB-2)和Ci/V=58.96+13.51Ci(SeRB-3)。通过动力学方程,计算出了酶的特征常数(Km)和最大反应速率(Vmax)。细菌SeRB-1、SeRB-2和SeRB-3的Km分别为5.55 mM、4.65 mM和4.22 mM,Vmax分别为0.073μ M/(L·h)、0.076μM/(L·h)和0.074μ M/(L·h)。其中细菌SeRB-2对亚硒酸盐的还原时间更长,最大还原速率更大。 (4)3种细菌对亚硒酸盐的还原效率(RE)随Se(Ⅳ)浓度(1~10mM)的升高而降低,在1mM时达到最大。该浓度下,细菌SeRB-2的RE最高可达90%、SeRB-1和SeRB-3的RE也分别达到70%、64%,说明这3种菌具有在硒污染场地修复的应用潜力,当Se(Ⅳ)浓度不超过1mM时,能达到比较理想的去除效果,其中细菌SeRB-2更有优势。 (5) Fe2+和Cu2+胁迫下细菌SeRB-1对亚硒酸盐的还原矿化表明,离子胁迫下也有生物矿物生成,但其生成速度比单纯的细菌还原亚硒酸盐的速度要慢。透射电镜观察揭示了生物矿物在不同时期的生成过程。矿化初期,小颗粒矿物(10~20 nm)开始主要在细胞膜、少量在细胞质生成,颗粒沿细胞轮廓规则分布。矿化中期,细胞开始凋亡,部分细胞壁已分解,粘附在细胞膜上的矿物颗粒暴露在外;细胞质出现空泡,并被矿物颗粒补充。此阶段矿物颗粒增大(100~200 nm),仍较有规律的沿细胞轮廓或胞内空泡周边分布,也有少部分颗粒从细胞表面脱落或通过胞吐作用进入培养基,而呈游离状。矿化后期,细胞几乎完全分解,仅剩一些细胞残体粘附少量颗粒,大量的颗粒聚集成大的团聚体,并最终沉积下来,此阶段矿物粒径更大(300~500nm)。成分分析表明,矿物是元素硒与某种或多种铜硒或铁硒化物的混合物,这为生物成矿作用提供佐证,也说明细菌可以通过还原、矿化来固定污染物。 总之,通过特高硒环境中细菌还原亚硒酸盐的研究,得到了动力学方程,量化表达了细菌对亚硒酸盐的还原过程,为高硒地区的污染修复提供了参考;通过离子胁迫下的生物矿化研究,揭示了生物矿化过程,为矿物的生物成因提供了新的认识,也为生物矿化机制的进一步研究提供了研究路径,从而丰富了硒的生物地球化学理论。