水铁矿作为一种广泛存在于地表环境中的无定形的铁(氢)氧化物,是重金属离子等环境污染物存在的重要自然介质,其转化过程对重金属离子的赋存形态和迁移性有重要影响。希瓦氏菌是自然环境中常见的铁异化还原菌,是驱动含铁矿物和各种污染物(含重金属离子)生物转化的重要因素。另外,希瓦氏菌被发现具有多种硫代谢途径,参与铁、硫元素生物地球化学共循环,但其行为机制以及对矿物中伴生重金属离子的影响规律尚不完全清楚。本研究以希瓦氏菌模式株Shewanella oneidensis MR-1为研究对象,旨在探究希瓦氏菌介导水铁矿和硫代硫酸盐共转化机制及基于矿物生物转化开发Cr6+的去除修复方法。具体研究内容及结果如下: (1)水铁矿自然老化及其对重金属离子吸附性能和S.oneidensis MR-1还原转化速率的影响。矿物晶相分析表明无定型水铁矿在自然老化过程中逐渐向结晶度更高的赤铁矿转变,吸附动力学测试发现不同铁(氢)氧化物矿物对重金属离子(Cr6+、Cu2+和Cd2+)的吸附能力大小依次为水铁矿、针铁矿和赤铁矿。S.oneidensis MR-1还原实验结果表明,水铁矿还原速率与其老化程度负相关,添加Na2S2O3能够显著加速水铁矿和赤铁矿的还原率,其中反应4h后水铁矿还原率提高了8倍,赤铁矿提高了9倍。 (2)S.oneidensis MR-1介导水铁矿和硫代硫酸盐还原共转化合成硫化铁增强其胞外电子传递的机制。考察pH值和Na2S2O3添加浓度的影响时,发现S.oneidensis MR-1还原水铁矿的能力对pH值敏感,最适pH值为中性,过酸和过碱均会产生严重抑制,表明S.oneidensis MR-1的胞外不溶性铁还原具有酶促反应特征;S.oneidensis MR-1还原水铁矿的能力与Na2S2O3的终浓度呈正相关,未添加Na2S2O3时12h内水铁矿还原率仅为35%,而添加Na2S2O3的终浓度超过1.0mM时还原率可高达90%以上。对反应产物进行物相和形貌分析,发现S.oneidensis MR-1介导水铁矿和Na2S2O3共还原转化会形成纳米尺度的FeS次生矿物包覆在细菌表面。对比分析生物合成的FeS与S.oneidensis MR-1野生株及外膜色素蛋白缺失突变株(△omcA/mtrC)的交互作用时,发现原位生物合成的FeS不仅可以明显促进S.oneidensis MR-1野生株对水铁矿的还原能力,而且能够在弥补外膜色素蛋白缺失突变所带来的不利影响,推测在细胞表面形成的原位FeS可充当固相电子介体促进细菌胞外电子传递,从而加速水铁矿进一步还原转化。 (3)S.oneidensis MR-1原位合成硫化铁去除水体中Cr6+的性能及影响因素。在分析Cr6+对S.oneidensis MR-1毒性和不同菌体浓度还原效率的基础上,证明了S.oneidensis MR-1对水体中Cr6+的去除效率与其胞外电子传递直接相关;通过对比实验发现原位生物合成的FeS与S.oneidensis MR-1对水体中Cr6+去除具有明显的协同效应,实现电子从细胞流经FeS传递至Cr6+使其完全还原,去除率可高达100%;经重复使用实验测试,发现生物合成的FeS与S.oneidensis MR-1的联合体重复使用3次以上依然保持较高的Cr6+去除率。 综上所述,本论文阐明了S.oneidensis MR-1驱动水铁矿与硫代硫酸盐还原共转化合成FeS次生矿物及其增强S.oneidensis MR-1胞外电子传递速率和水铁矿还原率的机制,建立了基于水铁矿生物转化合成FeS协同S.oneidensis MR-1高效去除水体中Cr6+污染的方法,为理解微生物与矿物相互作用和重金属污染生物防控提供了参考。