Interpretation of kinetic isotope fractionation between aqueous Fe(II) and ferrihydrite under a high degree of microbial reduction

高度微生物還原條件下水相Fe(II)與水鐵礦之間動力學同位素分餾的解釋

來源: Biogeosciences Discussions, Preprint

《生物地球科學討論》，預印本

 

摘要

闡述了微生物異化鐵還原（DIR）過程通常在鐵礦物還原程度較低時停止，此時在水相Fe(II)溶液和鐵（羥基）氧化物表面的活性Fe(III)相之間會發生同位素分餾，形成約3‰的平衡分餾因子。近期非生物實驗研究表明，Fe(II)在礦物表面的吸附可能會影響同位素分餾，這提示我們在DIR過程中同位素交換可能會受到很大抑制。本研究使用水鐵礦作為終端電子受體，在0.1 MPa和15 MPa壓力下分別進行了耐壓希瓦氏菌WP3和奧奈達希瓦氏菌MR-1的實驗，以確保還原程度有顯著變化。基于同位素質量平衡，估計了兩種菌在不同壓力下的鐵同位素分餾范圍，并發現奧奈達希瓦氏菌MR-1實驗中獲得的分餾因子與耐壓希瓦氏菌WP3實驗中的結果顯著不同，表明發生了動力學分餾。結合前人研究，提出了一個瞬態修飾的Fe(II)吸附機制來解釋水相Fe(II)與水鐵礦之間的同位素分餾。

 

研究目的

主要有兩個：1) 研究在高還原程度下，DIR過程中水相Fe(II)與鐵礦物表面的活性Fe(III)之間是否發生同位素平衡分餾；2) 分析導致動力學同位素分餾的可能原因。

 

研究思路

通過選擇高反應活性的鐵礦物（水鐵礦）作為終端電子受體，并選用兩種不同的希瓦氏菌（S. piezotolerans WP3 和 S. oneidensis MR-1）在兩種不同壓力（0.1 MPa 和 15 MPa）下進行微生物還原實驗，以獲取差異顯著的還原程度。在不同時間點取樣，分離并測量不同鐵物相（水相Fe(II)、吸附態Fe(II)、剩余礦物等）的濃度和鐵同位素組成。利用同位素質量平衡模型估算Fe(II)aq與Fe(III)reac之間的同位素分餾范圍，并結合吸附態Fe(II)的濃度變化，探討其與同位素分餾行為的關系，從而揭示分餾機制。

 

測量的數據及研究意義

1.  不同時間點（第2、5、10、20、30天）水相中的Fe(II)濃度、0.1 M HCl提取液中的Fe(II)濃度和總Fe濃度、0.5 M HCl提取液中的Fe(II)濃度和總Fe濃度。這些數據用于計算還原程度、吸附態Fe(II)與水相Fe(II)的濃度比（Msorb/ Maq），從而追蹤還原動力學過程并評估吸附態Fe(II)對還原過程的抑制效應。數據來自表1。

 

2.  不同時間點水相Fe(II)和0.1 M HCl提取液的鐵同位素組成（δ56Fe）。這些數據是計算Fe(II)aq與Fe(III)reac之間同位素分餾的直接依據，用于判斷分餾是平衡還是動力學控制。數據來自表2。

 

3.  根據濃度和同位素數據，通過質量平衡模型估算出的Fe(II)aq與Fe(III)reac之間的同位素分餾因子（Δ56FeFe(II)aq-Fe(III)reac）的可能范圍（最大值和最小值）。這些數據直接支持了兩種菌在不同條件下分餾行為差異的結論，表明S. oneidensis MR-1實驗中發生了動力學分餾。數據來自表3。

 

4.  總Fe(II)濃度隨時間變化的曲線。該圖直觀展示了兩種菌在不同壓力下的還原速率和最終還原程度的差異。數據來自圖1。

 

5.  水相Fe(II)和0.1 M HCl提取液的δ56Fe值隨時間變化的曲線。該圖顯示了同位素組成隨時間演化的趨勢，為分餾過程的解釋提供了可視化證據。數據來自圖2。

 

6.  估算的Δ56FeFe(II)aq-Fe(III)reac范圍隨時間變化的示意圖。該圖強調了S. piezotolerans WP3和S. oneidensis MR-1實驗估算出的分餾范圍存在顯著差異，且后者遠離-3‰的平衡值。數據來自圖3。

 

 

結論

1.  微生物種類和壓力均能顯著影響DIR的速率和程度。S. oneidensis MR-1的還原速率和程度遠高于S. piezotolerans WP3；對于同一種菌，常壓（0.1 MPa）下的還原速率略高于高壓（15 MPa）下。

2.  DIR速率的下降很可能與Fe(II)在細胞和水鐵礦表面的吸附有關，這抑制了進一步的還原。

3.  在還原程度較低（S. piezotolerans WP3實驗，<14%）的情況下，吸附的Fe(II)未達到表面飽和，Fe(II)aq與Fe(III)reac之間可能發生了接近平衡的同位素分餾（估算分餾范圍覆蓋或接近-3‰）。

4.  在還原程度較高（S. oneidensis MR-1實驗，18-39%）的情況下，產生的Fe(II)較多，吸附的Fe(II)可能達到或超過了礦物表面的飽和容量，抑制了Fe(II)aq與Fe(III)reac之間通過瞬態吸附進行的電子轉移和原子交換（ETAE）過程，從而導致了一種較小的、非平衡的動力學同位素分餾（估算分餾范圍遠小于-3‰的絕對值）。

5.  提出了一個機制：當吸附的Fe(II)低于表面飽和容量時，同位素平衡分餾通過快速的ETAE過程發生；當吸附的Fe(II)超過表面飽和容量時，表面結構缺陷被修復，驅動ETAE的驅動力減小，同時可用于瞬態吸附的位點減少，原子交換被抑制，從而表現出動力學分餾特征。

 

使用丹麥unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense公司的微電極測量并確認反應體系中的溶解氧濃度低于2 μmol/L，具有重要的研究意義：

1.  確保嚴格厭氧環境：微生物異化鐵還原（DIR）是一種厭氧呼吸過程，氧氣作為更強的電子受體會競爭性地抑制鐵還原菌的活性。Unisense微電極具有高靈敏度和快速響應時間，能夠精確檢測低至微摩爾甚至納摩爾級別的溶解氧濃度。將氧濃度嚴格控制在極低水平（<2 μmol/L）是成功啟動并維持DIR實驗的先決條件，避免了因痕量氧氣存在而導致的實驗失敗或數據偏差。

2.  保證實驗結果的可靠性與可重復性：通過使用這種高精度的儀器進行定量監測和驗證，而不僅僅是依靠惰性氣體沖洗的定性操作，極大地增強了實驗設計的嚴謹性和實驗結果的可信度。它確保了所有瓶中的初始條件和整個實驗過程中的核心環境變量（厭氧）是一致的，從而使得不同處理組（不同菌種、不同壓力）之間的比較以及實驗的重復成為可能。

3.  支撐高壓實驗的特殊需求：實驗在0.1 MPa和15 MPa下進行。在高靜水壓力下，氣體的溶解度會發生變化，密封系統也可能存在微小的泄漏風險。使用氧電極直接監測高壓容器內培養介質的氧濃度，比間接推斷更為可靠，確保了高壓條件下厭氧環境的真實性，這對于研究壓力對DIR過程及同位素分餾的影響至關重要。

綜上所述，使用Unisense氧電極精確證實厭氧環境，是本研究獲取可靠、準確的微生物還原動力學和同位素分餾數據的關鍵技術保障，為后續的數據解釋和結論推導奠定了堅實的基礎。