細(xì)菌胞外聚合物在土壤礦物和納米顆粒表面的吸附及其驅(qū)動(dòng)團(tuán)聚機(jī)制.pdf

1、細(xì)菌胞外聚合物(Extracellular polymeric substances，EPS)是細(xì)菌在其生長(zhǎng)繁殖過程中所分泌的生物大分子聚合物質(zhì)的總稱，是自然環(huán)境中普遍存在的生物有機(jī)質(zhì)。EPS與無機(jī)膠體之間的相互作用可以影響一系列的生物化學(xué)過程，如微生物粘附與生物膜形成、顆粒團(tuán)聚和沉降、礦物溶解、生物浸礦和生物礦化等。本文以天然土壤粘粒礦物（蒙脫石、高嶺石和針鐵礦）、工程納米顆粒（二氧化鈦）和常見土壤細(xì)菌（惡臭假單胞菌，Pseudomo

2、nas putida;枯草芽孢桿菌，Bacillus subtilis）分泌的EPS為供試材料，在傳統(tǒng)化學(xué)分析方法的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用激光共聚焦顯微鏡(CLSM)、DLVO理論、透射電子顯微鏡(TEM)、衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)結(jié)合二維相關(guān)光譜(2D-CoS)、拉曼光譜、X射線光電子能譜(XPS)、近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜(NEXAFS)和動(dòng)態(tài)光散射(DLS)等現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，研究了EPS在土壤礦物表面的吸附

3、行為與機(jī)制，以及不同環(huán)境條件下(pH、離子強(qiáng)度和離子價(jià)態(tài)等)，EPS對(duì)土壤礦物穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)果如下:
　　(1)基于激光共聚焦技術(shù)并同步結(jié)合化學(xué)吸附方法，闡明了惡臭假單胞菌EPS各組分（蛋白質(zhì)、多糖和核酸）在蒙脫石、高嶺石和針鐵礦表面的選擇吸附特性及內(nèi)在機(jī)理。EPS中蛋白質(zhì)組分主要吸附在蒙脫石和高嶺石表面，而核酸組分主要吸附在針鐵礦表面。由于EPS的表面特性和結(jié)構(gòu)隨pH增加而發(fā)生改變，使得EPS在礦物表面的吸附百分比隨反應(yīng)體

4、系pH由3.0升高到9.0而逐漸降低。通過采用經(jīng)典DLVO理論，擬合了不同pH條件下EPS與三種土壤礦物的相互作用力，發(fā)現(xiàn)EPS與蒙脫石和高嶺石作用過程中，靜電力起主要作用，而EPS與針鐵礦作用過程中，靜電力和配位鍵共同起作用。
　　(2)應(yīng)用ATR-FTIR/2D-CoS技術(shù)，闡明了不同離子強(qiáng)度條件下枯草芽孢桿菌EPS各基團(tuán)在針鐵礦表面的吸附順序和構(gòu)型變化。隨NaCl濃度由1mmol/L升高至50mmol/L，EPS中蛋白質(zhì)次級(jí)

5、結(jié)構(gòu)由剛性向弱剛性轉(zhuǎn)變，使EPS中蛋白質(zhì)與針鐵礦接觸的比表面積增加，從而促進(jìn)了EPS中蛋白質(zhì)在針鐵礦表面的吸附，該結(jié)果與通過C1s NEXAFS光譜所得結(jié)果相一致。EPS中各官能團(tuán)在針鐵礦表面的吸附順序?yàn)椋ㄒ?mmol/L NaC1溶液分析為例）:羧基C=O，多糖C-O(1396cm-1，1132cm-1)→酰胺ⅠC=O(1650cm-1)→酰胺ⅡC-N(1540cm-1)→核酸P-O和P=O(1035cm-1,1086cm-1)→酰胺

6、ⅢCH2(1455cm-1)。
　　(3)明確了不同環(huán)境條件下枯草芽孢桿菌EPS影響針鐵礦穩(wěn)定性的機(jī)制。當(dāng)針鐵礦表面帶正電荷時(shí)，外源EPS的加入可促進(jìn)針鐵礦團(tuán)聚，而當(dāng)針鐵礦表面帶負(fù)電荷或不帶電荷，EPS加入促進(jìn)了顆粒分散。在NaCl(0-1000mmol/L)、NaNO3(0-1000mmol/L)和Na2SO4(0-250mmol/L)溶液中，離子強(qiáng)度的增加會(huì)促使針鐵礦顆粒發(fā)生較強(qiáng)的團(tuán)聚，EPS加入會(huì)促使針鐵礦顆粒發(fā)生分散，使針

7、鐵礦在三種溶液中的臨界絮凝濃度值分別由43.0、56.7和0.39mmol/L升高至168.0、304.9和126.2mmol/L。在Na3PO4(0-120mmol/L)溶液中，低濃度磷酸鹽(≤1mmol/L)溶液中，針鐵礦的絮凝速率隨磷酸鹽濃度增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì);高濃度磷酸鹽(＞1mmol/L)溶液中，針鐵礦的絮凝速率則隨磷酸鹽溶液濃度增加逐漸增強(qiáng)。
　　(4)揭示了枯草芽孢桿菌EPS存在條件下，不同金屬離子類型(C

8、a2+、Cu2+和pb2+)對(duì)針鐵礦穩(wěn)定性的影響。三種金屬離子對(duì)針鐵礦絮凝能力強(qiáng)弱順序依次為:Ca＞Pb＞Cu。在Ca2+溶液中，針鐵礦顆粒之間可形成橋接作用，該作用對(duì)針鐵礦顆粒的團(tuán)聚能力明顯強(qiáng)于Cu2+和pb2+與針鐵礦表面之間的表面吸附和配位交換作用;當(dāng)向反應(yīng)體系中加入1、5和10mg/L EPS溶液后，Ca2+、Cu2+和pb2+對(duì)針鐵礦絮凝能力強(qiáng)弱結(jié)果為:Pb＞Cu＞Ca，此時(shí)Cu2+和pb2+與EPS-針鐵礦復(fù)合體表面基團(tuán)之間

9、的絡(luò)合作用對(duì)針鐵礦膠體的團(tuán)聚能力要明顯強(qiáng)于Ca2+的非特異性陽離子交換作用。
　　(5)闡明了枯草芽孢桿菌EPS不同組分對(duì)工程納米顆粒團(tuán)聚的影響。在NaCl和低濃度CaC12溶液(＜10mmol/L)中，EPS能有效的促進(jìn)TiO2納米顆粒發(fā)生發(fā)散，胞外蛋白質(zhì)在此過程中起著重要的作用;當(dāng)CaC12濃度較高時(shí)(＞10mmol/L)，多糖團(tuán)聚體與TiO2納米顆粒之間形成大團(tuán)聚體，從而增強(qiáng)TiO2納米顆粒團(tuán)聚體的形成。明確了不同pH和離子