可见光诱导细菌产生超氧化物以进行锰氧化

锰氧化物是天然活性矿物，广泛分布于水生和陆地环境中，影响金属(如3+和镉2+)和有机污染物(如酚类和双氯芬酸)通过吸附和氧化在污水处理中。通常，环境中的锰(III/IV)氧化物被认为是通过非生物或生物过程氧化溶解的Mn(II)形成的。

溶解氧氧化水溶液Mn(II)在热力学上是有利的，但由于溶解的Mn(II)到Mn(III/IV)氧化物的反应具有高能垒，动力学缓慢。微生物的存在加速了氧化速率，比非生物化学氧化的速度快4-5个数量级，因此被认为是环境中锰氧化物的初始来源。

能够催化溶解的Mn(II)离子氧化为未溶解的Mn(III/IV)氧化物的细菌通常称为锰氧化细菌。细菌氧化Mn(II)离子分为直接和间接方式，微生物表面酶催化的过程称为直接氧化。对于间接途径，一些细菌可以改变其周围环境条件以进行Mn(II)氧化(例如，pH和Eh)。

在最近的研究中，玫瑰杆菌分支已被证明可以通过产生细胞外活性氧来氧化Mn(II)。其他细菌分支是否具有与玫瑰杆菌相似的Mn(II)氧化过程?Mn(II)氧化是否与细菌的生理过程密切相关?

为了回答这些问题，中国科学院赵峰教授及其团队成员利用近岸表层海水微生物探索了可见光下微生物锰的氧化过程。分析了微生物将可溶性Mn(II)转化为不溶性Mn(III/IV)氧化物与生理作用的关系。这项研究于2023年发表在《环境科学与工程前沿》上。

在这项研究中，研究小组发现可见光极大地促进了Mn(II)的氧化速率，平均速率达到64μmol/(L·d)。生成的氧化锰有利于Mn(II)氧化，锰的快速氧化是生物和非生物共同作用的结果，生物学功能占88%±4%。

可见光诱导微生物产生的细胞外超氧化物是本研究中锰快速氧化的决定性因素。但这些超氧化物的产生并不需要Mn(II)离子的存在，Mn(II)氧化过程更像是一种无意的副反应，并不影响微生物的生长。

自然界中超过70%的异养微生物能够产生超氧化物，基于自由基的氧化特性，所有这些细菌都可以参与锰的地球化学循环。更重要的是，超氧化物氧化途径可能是氧化锰的重要天然来源。

这项研究揭示了细菌锰氧化的重要途径。异养细菌在可见光照射下产生超氧化物，氧化周围环境中的Mn(II)离子，是氧化锰的主要来源。生物生成的Mn(III/IV)氧化物在光照下也能通过非生物反应间接氧化Mn(II)离子。

环境中许多主动或被动产生超氧化物的细菌也可能以这种方式氧化Mn(II)，这表明通过超氧化物的锰氧化途径是环境中的常见行为。针对氧化锰的氧化性能和半导体性能，本研究将为环境污染治理提供新的思路。

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