异化金属还原菌转化重金属过程中的电子传递机制研究

The pollution of heavy metal has become an irritating environmental and social problem. The understanding of bioremediation mechanism provides a theoretical feasibility for effective elimination of heavy metal pollution. Dissimilatory metal-reducing bacteria have a strong metal-reducing ability, which has important implication on the metal migration and transformation. In this study, three kinds of representative dissimilatory metal-reducing bacteria were selected, insoluble minerals (Fe2O3), metal ion (Cd2+) and solid electrodes were used to study electron transfer reactions, respectively. With the help of electrochemical techniques, molecular biology and ART-FTIR, electron transport pathways between the bacteria and metal/electrode will be investigated. Extracellular electron transfer reveals the role in metal transformation/enrichment by dissimilatory metal-reducing bacteria. Comparing the performance of wild-type and mutant strain, the function of membrane proteins in the respiratory chain can be used to address heavy metals reduction. In this study, the electron transfer will be introduced to understand the interactions between dissimilatory metal-reducing bacteria and metals, meanwhile this project will provide a theoretical support to an effective treatment of heavy metal pollutants.

重金属污染已成为一个突出的环境和社会问题。生物修复技术因具有处理费用低、对环境影响小、效率高等优点而受到人们的广泛关注。深入理解生物修复过程的机制和限制因素能够为构建高效的重金属污染控制技术提供理论指导。异化金属还原菌具有强大的金属代谢能力，对金属的转化/迁移有着重要的影响。目前，使用电化学方法研究微生物修复重金属污染机理的工作相对较少。本研究选取有代表性的异化金属还原菌，针对不溶性矿物质、金属离子和固体电极开展电子传递机制的研究；综合运用电分析化学、微电极技术、分子生物学、傅立叶变换衰减全反射红外光谱等，揭示微生物胞外电子传递在重金属还原/富集中的作用；通过对比野生型和基因缺陷型菌株与金属的作用，阐明菌体表面蛋白在重金属转化中的功能；从电子传递角度揭示微生物修复重金属污染的机制和主要限制因素；为土壤中重金属污染物的有效控制提供理论支持。

异化金属还原菌具有强大的金属代谢能力，对金属的转化/迁移有着重要的影响，也是金属污染环境修复的关键。本研究中，围绕微生物的氧化还原反应和电子转移，着重开展了以下三个方面的研究：（1）微生物胞外电子转移对重金属转化的贡献；（2）基于生物技术的污染土壤/废弃工业产品中金属的资源化回收；（3）有机污染物的生物电化学环境修复机制。首先，对微生物进行驯化、富集、分离，对微生物分泌的电活性物质进行鉴别、测定，探讨了受重金属离子影响的微生物关键蛋白；强化了对铬(Cr)在土壤中迁移转化机制的理解，探讨了微生物在重金属还原作用，通过生物浸出法实现了对印刷电路板中的铜(Cu)及脱硝催化剂中钒(V)的高效快速浸出，并对金属资源化回收及污染物强化去除进行了条件优化。本课题将理论研究与实际应用相结合，为元素的地球化学循环提供了理论指导。