六价铬是工业生产过程中常见的重金属污染物,如电镀、颜料、皮革生产和木材保存过程中都容易产生六价铬污染。六价铬易溶于水,且具有很强的毒性和致癌性,而三价铬不易溶于水,且毒性低。微生物能够将地下水中的六价铬还原为三价铬,微生物原位修复具有高效且廉价的优势。而铬同位素是监测和定量评估受污染水体中六价铬的还原程度的潜在有力手段,并且在绝大多数情况下不会受物理过程的干扰,如吸附、稀释以及蒸发等过程。同时,铬同位素可以反映受污染的地下水较大范围的六价铬还原情况。对于微生物还原六价铬过程中的铬同位素分馏系数的测定和分馏机制的理解是实现铬同位素评估受污染水体中六价铬的还原程度的关键。因此,本论文对微生物还原六价铬过程中的铬同位素的分馏机制进行了系统地研究,主要内容如下:1.不同物理化学参数对希瓦氏奥奈达菌MR-1还原六价铬过程中铬同位素分馏的响应规律在温度实验中,铬同位素分馏呈现出两阶段的变化趋势:当温度为18℃和34℃条件下,第一阶段的富集系数分别为-2.81±0.19‰和-2.60±0.14‰;随着反应进行,铬同位素分馏被强烈抑制,第二阶段富集系数分别为-0.98 ±0.49‰和-1.01 ±0.11‰。在不同pH(pH为6.0或7.2)和添加竞争性电子受体(硝酸根离子)的条件下,也观察到了类似的两阶段分馏过程。研究结果表明,所研究的环境因素的变化对希瓦氏奥奈达菌MR-1还原六价铬过程中铬同位素富集系数无显著影响。对于第二阶段富集系数显著降低,可能原因是六价铬的生物可利用性下降,六价铬的传输过程对同位素分馏产生了抑制。铬同位素可作为检测生物可利用性指示的潜在工具。2.希瓦氏奥奈达菌MR-1吸收六价铬过程中的铬同位素分馏及生物可利用性对铬同位素分馏的影响希瓦氏奥奈达菌MR-1可以通过外膜中的细胞色素c(OmcA和MtrC)将六价铬在胞外还原。同时,六价铬可以利用硫酸盐的通道以主动运输的形式穿过细胞膜,在细胞质体内被还原。MR-1的基因突变株AmtrC-△omcA则无法完成胞外还原,只能将六价铬吸收至胞内并完成还原。因此,AmtrC-AomcA可作为研究希瓦氏菌吸收六价铬过程中的铬同位素分馏效应的理想对象。本工作研究了铬的生物可利用性和初始六价铬浓度对铬同位素分馏的响应规律。通过改变电子供体浓度和初始六价铬浓度的方式降低铬的生物可利用性,以观察细菌吸收六价铬过程中的铬同位素分馏效应。当铬-氧键断裂引起的分馏被六价铬的运输过程完全抑制后,观察到的铬同位素分馏为吸收六价铬过程中的分馏。当乳酸浓度为50 mM,初始六价铬浓度分别为100 μM、50μM和7μM时,对应的富集系数分别为-1.87±0.22‰、-1.27±0.76‰和-0.23±0.13‰。富集系数为-0.23±0.13‰,表明细菌吸收六价铬的过程成为限速步,六价铬的传输过程对分馏进行了近乎完全的抑制。此外,我们通过Kampare模型,构建了铬的生物可利用性和铬同位素分馏之间的联系,并进一步加深对六价铬穿过细胞膜过程中的铬同位素分馏的理解。3.极端嗜热菌还原六价铬过程中的铬同位素分馏机理本工作从内部电子传输途径和外部不同物理化学条件两个角度,系统地研究了极端嗜热菌(Caldicellulosiruptorsaccharoayticus)还原六价铬过程中的铬同位素分馏机理。极端嗜热菌通过镍铁氢化酶实现对六价铬的胞外还原。氯化铜是特殊的细胞膜表面的镍铁氢化酶的抑制剂,在氯化铜的作用下,镍铁氢化酶对六价铬的还原过程被显著抑制,六价铬穿过细胞膜在胞内发生还原。本工作发现在添加和未添加氯化铜的条件下,铬同位素富集系数在误差范围内一致,而中性红可作为电子载体调节六价铬的还原过程。在添加和未添加中性红的条件下,富集系数在误差范围内一致。通过比较这些富集系数,我们讨论了不同电子传输途径对分馏的影响,以及六价铬的传输过程,包括穿过细胞膜的过程及不同还原酶对分馏的影响。另一方面,本工作还研究了不同温度(50℃和70℃)、氢气浓度和不同的电子供体类型对铬同位素分馏的影响。不同温度和氢气浓度对铬同位素分馏无明显影响;而氢气作为电子供体时的铬同位素富集系数略高于葡萄糖作为电子供体时的铬同位素富集系数。