基于原位红外-表面增强拉曼光谱研究微生物介导的砷还原过程

In this project, we will use multiple complementary spectroscopic techniques including in situ Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), and X-ray absorption fine structure (XAFS), to investigate the microbial-mediated arsenate reduction. The highly effective aerobic As(V)-reducing bacteria will be isolated from arsenic contaminated soils in Shanxi, China. We will explore the relationships between nano Au SERS substrate, arsenic, and microbes using the following approach: firstly, monitor the growth curves of As-reducing bacteria in the presence of As-Au probe, then analyze the As adsorption-desorption processes on the microbial surface, and finally study the mutual effect of exopolysaccharides and Au on As(V) reduction. A novel FTIR-SERS flow cell will be assembled for in situ monitoring the dynamic As(V) reduction processes. The molecular-scale configuration of As complexes on bacteria will be proposed using XAFS. Using multidisciplinary studies of spectroscopic characterization, interfacial process, and reduction mechanism, the results should further our understanding in As-bacterial interactions from macro- to molecular-scale.

本项目以砷-微生物作为研究对象，以原位红外-表面增强拉曼联用技术与同步辐射分析方法作为研究手段，考察微界面上发生的微生物介导砷还原过程。从山西省高砷污染地区获得的实际土壤样品分离得到好氧砷还原菌株，通过研究砷与表面增强拉曼探针参与的砷还原菌生长动力学、砷在微生物界面的吸附-脱附过程、微生物胞外多糖与金纳米颗粒的砷协同还原效应，研究金纳米基底-砷-微生物三元体系相互作用。研制红外-表面增强拉曼原位在线检测体系，动态描述微界面溶解态砷的微生物还原过程，结合同步辐射技术分析砷-微生物体系的表面结合构型。通过揭示光谱行为、界面过程、还原机制三者之间的相互联系，从宏观尺度深入到分子水平认识砷-微生物界面反应过程。

本项目以“砷-微生物”作为研究对象，结合红外、拉曼、同步辐射等光谱技术，分别从砷和微生物两个不同角度，从宏观尺度深入到分子水平探讨砷-微生物界面反应过程。从中国典型砷污染区山西大同盆地与内蒙河套平原筛选分离得到十株抗砷菌，它们来自于节细菌属、假单胞菌属、鞘鞍醇单胞菌属、不动杆菌属、芽孢杆菌属、成团泛菌属。基于红外、表面增强拉曼技术（SERS）分析得到细胞结构变化的数据。结果表明SERS可以用于评价砷对细菌细胞结构的影响并且作为细菌抗砷机理的初步研究手段。本研究中分离筛选到的菌株主要是通过细胞壁多种官能团与砷的作用将高浓度砷截留在细胞外，从而达到较高抗性。在分离的十株抗砷菌中，发现了具有好氧砷还原能力的成团泛菌属与芽孢杆菌属细菌。进行了两株菌砷还原性能、动力学过程和基因机制的研究。在好氧条件下，两株菌都能够在36小时内还原1 mmol/L液体培养基中超过90%的五价砷。菌株SXB是兼性菌，在好氧条件下的砷还原性能优于厌氧条件。菌株IMH是严格好氧菌。在菌株SXB和IMH中，均得到了翻译产物为三价砷排出（ArsB）离子泵的arsB基因的片段（936 bp）。在菌株SXB中得到了控制ArsC砷还原酶合成的arsC基因片段（275 bp）。在菌株IMH中得到了具体生物学功能尚不明确的arsH基因片段（502 bp）。利用SERS作为表征手段，采用自主设计的流动检测装置，实现了对菌株IMH砷还原过程的原位实时监测。进一步通过对IMH菌株进行全基因组测序，发现此菌不仅具有As(V)还原酶操纵子（ars operon），而且还具有Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Mo的抗性基因簇。说明菌株IMH可能对其他多种重金属离子具有抗性。利用成团泛菌IMH与金属离子溶液共培养，合成Au、Ag、Pd、Se纳米颗粒，通过对纳米颗粒进行表征，证明所合成的纳米颗粒为均匀的零价纳米颗粒。菌株IMH对贵金属离子的抗性可能与其具有的多种金属抗性基因簇有关。最后，基于贵金属纳米颗粒的SERS效应，构建了地下水中三价砷与五价砷的现场形态分析体系。