水铁矿因其较高的表面积和反应活性,与环境中的污染物相互作用密切,在微生物呼吸作用中充当重要的电子受体,参与了污染物的运移过程,因此受到了研究人员的广泛关注。本文以水铁矿的异化还原过程为研究对象,详细探讨了不同条件下水铁矿的晶型结构的转变特征和机理。水铁矿在微生物希瓦式菌的还原作用下晶型结构转变的控制因素分为三类:第一类是微生物接种量对体系中水铁矿晶型转变的影响。水铁矿晶型转变产物为针铁矿和磁铁矿,针铁矿作为中间产物,随着生物量的增加,针铁矿向磁铁矿转变得越充分。水铁矿的晶型转变速度和程度随着微生物接种量的增加而加强,且与水铁矿晶型转变产物(包括针铁矿和磁铁矿)的初始产生速率,初始氧化还原变化速率以及吸附态铁初始的产生速率呈线性关系。第二类是在外源性Fe(Ⅱ)和微生物共同作用下对水铁矿晶型转变的影响。外源性Fe(Ⅱ)的加入对水铁矿的转变速率有一定的影响,而对水铁矿最后的晶型转变产物的含量并没有影响。而外源性Fe(Ⅱ)对水铁矿还原速率的影响取决于外源性Fe(Ⅱ)与希瓦式菌的竞争程度,因为外源性Fe(Ⅱ)和希瓦式菌呼吸过程中产生的电子可以作为水铁矿晶型转变过程中的电子供体,外源性二价铁与希瓦式菌呼吸过程之间存在竞争电子受体的关系。当外源性Fe(Ⅱ)的含量较少为0.5 mM时,能够加快水铁矿结构的转变速率,当外源性Fe(Ⅱ)较高达到2.0 mM时,能够降低水铁矿结构的转变速率。第三类是小分子有机物电子运移载体2-磺酸钠蒽醌(AQS)、蒽醌-2,6-二磺酸盐(AQDS)、对苯二酚(HQ)以及Fe(Ⅱ)络合剂邻菲罗啉(phe)、螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)和电子受体4-硝基苯乙酮(4-NP)对水铁矿晶型转变的影响。进一步探究了无机条件下AQDS/AQS/HQ/EDTA/邻菲罗啉/4-硝基苯乙酮/外源性Fe(Ⅱ)+水铁矿体系的反应转变情况,研究发现,在非生物条件下,上述所有的体系中的水铁矿均不能发生变化,而所有的生物体系中,水铁矿都发生了晶型转变(邻菲罗啉体系除外),只是产物与速率有明显的差异。综合上述实验,总(1)在生物体系条件下,典型的电子穿梭介质AQS、AQDS结出水铁矿在生物体系与非生物体系中晶型转变的以下特征:体系中,能加速水铁矿的异化还原过程,促进了水铁矿的晶型转变。单独的HQ并不能促进水铁矿结构的转变,但是HQ与EDTA共同作用时能促进水铁矿晶型转变产物磁铁矿的形成。(2)在含有微生物的AQS/AQDS/HQ/外源性Fe(Ⅱ)体系中加入邻菲罗啉后,水铁矿晶型转变的程度和速率均显著降低。通过X-射线衍射仪检测发现,水铁矿的结构在30天内的结构并没有发生变化。因为邻菲罗啉能与Fe(Ⅱ)快速的结合,形成很强的配位剂,水铁矿结构表面的Fe(Ⅲ)不能够从邻菲罗啉-Fe(Ⅱ)配合物中夺得电子,因此吸附态铁(Fe(Ⅱ)ads)含量的显著降低,Fe(Ⅱ)ads浓度远远低于水铁矿反应能够发生晶型转变反应的临界值。(3)在生物体系中,1)外源性Fe(Ⅱ)的加入并不能使得水铁矿结构发生转变(30天内)。2)初始的Fe(Ⅱ)ads产生速率是制约水铁矿结构转变快慢的主要因素,并且随着Fe(Ⅱ)ads产生速率的增加,水铁矿发生结构转变的速率加快。3)体系中能够发生水铁矿晶型转变的氧化还原电位临界值约为-300 mV,只有超过-300 mV时,体系中水铁矿的结构才会发生转变。(4)在生物体系中,水铁矿异化还原过程中污染物4-硝基苯乙酮的加入能够加快水铁矿结构的转变速率和程度。(5)在非生物条件下,水铁矿的晶体结构是不能发生转化的。即在AQDS/AQS/HQ/EDTA/邻菲罗啉/4-硝基苯乙酮/Fe(Ⅱ)+无菌+水铁矿体系中,水铁矿都不能发生转变,所以微生物异化还原过程中才能发生水铁矿的晶型转变。单独物质AQDS/AQS/HQ/EDTA/4-硝基苯乙酮/外源性Fe(Ⅱ)等对水铁矿的转变作用是次要的,只是充当催化剂的角色,微生物的存在才是水铁矿结构能够转化的前提条件。