Mg²⁺对嗜酸氧化亚铁硫杆菌生长、氧化活性的影响规律——结果与讨论、结论
2结果与讨论
2.1 Mg²⁺质量浓度对体系pH值的影响
细菌氧化过程伴随着H⁺及电子的移动，从而导致pH值改变。不同Mg²⁺质量浓度下At.f菌培养过程中pH值随时间的变化情况如图1所示。
从图1中可以看出，整个培养过程中体系pH值呈先升高后逐渐下降的趋势。这是因为在培养初期，氧化亚铁硫杆菌氧化Fe²⁺为Fe³⁺，消耗大量H⁺，从而导致体系pH值升高；随着培养过程的进行，Fe³⁺发生水解使培养体系酸度增加，导致体系pH值下降。Mg²⁺的存在使得体系pH值随时间的变化趋势发生了较大变化，当Mg²⁺质量浓度≤1.0 g/L时，pH值下降速度较快，在45 h时Mg²⁺质量浓度为0.0、0.5、1.0 g/L的体系pH值分别下降到1.66、1.60、1.62；而当Mg²⁺质量浓度≥5.0 g/L时，pH值下降较慢，在45 h时Mg²⁺质量浓度为20.0 g/L的体系pH值仅下降到2.02。
2.2 Mg²⁺质量浓度对体系Eh值的影响
氧化还原电位能从整体上反映系统的氧化能力。不同质量浓度Mg²⁺下At.f菌培养过程中Eh值随时间的变化情况如图2所示。
从图2可以发现：体系的Eh值随培养时间的延长呈先逐渐升高后趋于稳定的趋势。在细菌生长过程中，Fe²⁺的氧化为细菌生长提供所需能量，使得溶液中Fe³⁺浓度增加，溶液的混合电位逐渐升高；当Fe²⁺氧化完全时，氧化还原电位达到最高值，且维持在相对稳定的范围内。Mg²⁺对体系Eh值影响较大，当Mg²⁺质量浓度≥5.0 g/L时，体系中电位上升较慢，Mg²⁺质量浓度超过10.0 g/L时体系的Eh值在整个45 h的培养过程中都处于较低水平，最高仅可达440 mV左右；而当Mg²⁺质量浓度<5.0 g/L时，体系的Eh值在35 h左右均已达到600 mV以上，说明小于5.0 g/L的Mg²⁺质量浓度对At.f菌氧化活性没有负面影响。
2.3 Mg²⁺质量浓度对体系Fe²⁺氧化率的影响
Mg²⁺质量浓度对At.f菌氧化活性的影响见图3。
图3表明：Mg²⁺质量浓度<5.0 g/L时，在35 h后Fe²⁺氧化率均接近100%，且在Mg²⁺质量浓度为1.0 g/L时，培养25 h后Fe²⁺氧化率达到62.78%，高于不添加Mg²⁺时的Fe²⁺氧化率（60.73%），说明适当的Mg²⁺能够提高细菌的氧化活性；随着Mg²⁺质量浓度继续升高，Fe²⁺氧化率逐渐降低，Mg²⁺质量浓度为5.0、10.0、15.0、20.0 g/L时培养45 h后Fe²⁺氧化率才分别达到95.47%、44.31%、38.80%、23.74%，说明Mg²⁺质量浓度超过5.0 g/L时，细菌的氧化活性显著降低。
2.4 Mg²⁺质量浓度对At.f菌生长的影响
不同质量浓度Mg²⁺作用下At.f菌的生长情况如图4所示。
从图4中可以看出：Mg²⁺质量浓度≤1.0 g/L时，细菌生长速度快，达到对数生长期的时间短，且随着离子质量浓度的增加，细菌浓度也增大，说明适量的镁离子能够促进细菌的生长；当Mg²⁺质量浓度超过1.0 g/L时，细菌生长受到抑制，延滞期增长，5.0、10.0 g/L Mg²⁺质量浓度条件下，均在40 h才达到细菌生长旺盛期，且Mg²⁺浓度越大，细菌浓度越低；当Mg²⁺质量浓度继续增大到15.0、20.0 g/L时，整个培养过程中，细菌浓度都偏低，说明此时细菌生长受到抑制。这是因为，Mg²⁺质量浓度过高导致细菌体内与溶液之间的渗透压增加，从而影响其正常的生理功能，或者影响其他物质代谢过程的进行，包括阻碍其他物质进入细胞、影响其他酶的代谢功能等，从而导致细菌的正常生长受到抑制。
2.5 Mg²⁺作用前后细菌的表面电位分析
At.f菌在Mg²⁺质量浓度为0.0、20.0 g/L体系中培养后，其表面电位随pH值的变化曲线如图5所示。
从图5中可以发现，At.f菌在Mg²⁺质量浓度为0.0 g/L体系中生长时的等电点为2.7，而在Mg²⁺质量浓度为20.0 g/L体系中生长时的等电点为3.6。等电点能指示一些官能团如羧基（—COOH）、氨基（—NH）和羟基（—OH）的存在，这些官能团存在于胞外多聚物中，并且决定细胞表面带何种电荷，因此At.f菌在不同生长条件下等电点的不同说明其胞外多聚物存在较大差异。等电点在pH=2.0~2.8之间说明细胞表面主要含葡萄糖酸或含其他与羧基相关的多糖，等电点在pH≥3.2时说明其细胞壁表面主要为蛋白质。这说明，高浓度Mg²⁺的存在使得细菌细胞壁表面成分发生了改变，这可以从宏观上解释细菌氧化活性降低的原因。
2.6 Mg²⁺作用前后细菌红外光谱分析
Mg²⁺作用前后的细菌经冷冻干燥处理后可进行红外光谱扫描，通过对比作用前后细菌表面官能团的变化情况，能够定性得出Mg²⁺对细菌的作用。At.f菌在0.0、20.0 g/L Mg²⁺中培养后细菌表面的红外光谱图见图6。
由图6可以看出：细菌在20.0 g/L Mg²⁺培养体系中，3386 cm⁻¹处蛋白质的—OH伸缩振动吸收峰偏移到了3405 cm⁻¹处；1642 cm⁻¹处酰胺I峰（蛋白质肽键）的—C=O伸缩振动吸收峰偏移到了1632 cm⁻¹处，且峰形有所减弱；1528 cm⁻¹处酰胺I峰蛋白质肽键的N—H弯曲振动吸收峰明显消失；1435 cm⁻¹处的波峰为附近的蛋白质分子中—CH₃反对称变形振动和—CH₂中等强度对称变形振动的吸收重叠峰，偏移到了1427 cm⁻¹处，且峰形有明显的增强；1203 cm⁻¹处的—C=O弯曲振动和O—H弯曲振动峰略有加强；1088 cm⁻¹处磷酰基的—P=O伸缩振动峰偏移到1078 cm⁻¹处；1004 cm⁻¹处的弱到中等强度—CN伸缩振动吸收峰偏移到了998 cm⁻¹处，且峰形明显增强；628和512 cm⁻¹处的多糖—CH₂吸收峰也有所偏移。造成上述现象的原因可能是Mg²⁺浓度过高，细菌细胞壁表面的—OH、—C=O、—CH₃、—CH₂、—P=O、—CN、N—H等基团发生了交联作用。
综上所述，高浓度Mg²⁺对细菌氧化活性的抑制机理在宏观上表现为菌体表面Zeta电位的变化，在微观上表现为对细菌细胞壁结构的破坏。高浓度Mg²⁺作用下，细菌细胞壁成分中的—OH、—C=O、—CH₃、—CH₂、—P=O、—CN、N—H等官能团发生交联反应，一方面破坏了细胞壁的骨架结构，另一方面改变了这些基团的电离或水解平衡，使细菌表面所带电荷大小发生变化，继而引起菌体表面Zeta电位变化，从而抑制了细菌的生长，降低了细菌的氧化活性。
3结论
文中探讨了Mg²⁺质量浓度对At.f菌氧化活性的影响，发现：Mg²⁺质量浓度<5.0 g/L时，能够促进细菌生长，提高细菌的氧化活性，在培养35 h时，体系的pH值均下降至1.70左右，Eh值均达到600 mV以上，Fe²⁺氧化率均接近100%，细菌生长达到旺盛期；但Mg²⁺质量浓度超过5.0 g/L时，细菌浓度、氧化活性随Mg²⁺质量浓度增加而逐渐降低，培养45 h后，Mg²⁺质量浓度为20.0 g/L体系的pH值为2.02，Eh值仅为420 mV，Fe²⁺氧化率仅为23.74%。研究还发现，20.0 g/L Mg²⁺对细菌氧化活性的抑制机理在宏观上表现为菌体表面Zeta电位的变化，等电点由2.7变为3.6；在微观上表现为细菌细胞壁的—OH、—C=O、—CH₃、—CH₂、—P=O、—CN、N—H等官能团发生了变化。