黑云母的生物轉(zhuǎn)化釋鉀及其作用機(jī)理研究.pdf

1、我國是農(nóng)業(yè)大國，而農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要以肥料為支撐，其中，鉀肥需求量占很大比重。鉀對植物的生長有重要作用，可以提高葉片光合作用強(qiáng)度，促進(jìn)作物體內(nèi)淀粉和糖的生物合成，增強(qiáng)作物抗逆性和抗病能力，還能提高作物對氮的吸收利用。我國富氮少磷缺鉀，鉀肥自給量不到50％，但是我國低品位鉀礦的儲量卻十分可觀，黑云母就是其中含量很豐富的一種，微生物轉(zhuǎn)化法因?yàn)楹哪苌伲h(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。但是，目前有關(guān)研究主要集中在篩選具有高效解鉀性能的菌種以及其解鉀有

2、效性、解鉀機(jī)理和菌劑應(yīng)用等方面，而有關(guān)如何切實(shí)提高微生物轉(zhuǎn)化含鉀巖石的釋鉀效率的研究還很少。膠質(zhì)芽孢桿菌和黑曲霉是土壤中普遍存在的細(xì)菌和真菌，它們能分解利用土壤中的難溶性礦物供自身生長繁殖利用，同時還能促進(jìn)土壤礦物元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，已有很多研究分別采用這兩種菌作為研究微生物-礦物相互作用的模式菌株。
　　本研究首先分別采用有氮培養(yǎng)基和察氏培養(yǎng)基作為膠質(zhì)芽孢桿菌(Bacillusmucilaginosus)和黑曲霉(Asper

3、gillus niger)的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)基，并以黑云母礦粉為唯一鉀源，培養(yǎng)5d后利用ICP-OES、SEM、HPLC及酶活測定等方法，對發(fā)酵液中各種離子濃度、礦物表面形貌、發(fā)酵液中有機(jī)酸含量以及碳酸酐酶(CA)活性進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，膠質(zhì)芽孢桿菌與礦物通過多糖等粘性物質(zhì)緊緊黏附在一起形成細(xì)菌-礦物復(fù)合體，而黑曲霉與礦物相互作用則形成了真菌-礦物聚集體。黑曲霉培養(yǎng)液中離子溶出量總體高于膠質(zhì)芽孢桿菌培養(yǎng)液，其中Al3+、Fe3+和K+含量分別高

4、出約17、30和3 mg/L;分泌的酸性物質(zhì)的量和CA活性都明顯高于膠質(zhì)芽孢桿菌，表明黑曲霉擁有對礦物更強(qiáng)的風(fēng)化能力。
　　進(jìn)一步利用RT-qPCR檢測黑曲霉在風(fēng)化不同礦物時半胱氨酸合酶(CysM)、Na+/K+ATP酶(Na+/K+-ATPase)、檸檬酸合酶(CS)、脂肪酸合酶(FAS2)、谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(GST)、色氨酸合酶(trpA)、丙酮酸羧化酶(PC)、碳酸酐酶(CA)等8個基因的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)鉀礦組、鎂礦組和磷礦組

5、三組中Na+/K+-ATPase基因?qū)嶒?yàn)組與對照組相比表達(dá)量均呈現(xiàn)上調(diào)趨勢，而CysM、CS、FAS2、GST、trpA、PC、CA等7個基因的表達(dá)情況卻有所不同，鉀礦組和鎂礦組兩組中CysM、trpA和PC表達(dá)量上調(diào)，其余四個基因的表達(dá)量沒有明顯差異，而磷礦組實(shí)驗(yàn)組中這7個基因的表達(dá)量均低于無礦組或無明顯差異。這些結(jié)果表明黑曲霉能夠積極主動地克服可溶性營養(yǎng)元素缺乏的困難，調(diào)節(jié)部分基因的表達(dá)，上調(diào)細(xì)胞能量代謝和物質(zhì)合成等生物學(xué)過程，從而

6、產(chǎn)生更多的礦物風(fēng)化因子。但是在面對不同礦物的情況下，黑曲霉能差異化的調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，以適應(yīng)不同的營養(yǎng)條件或生活環(huán)境。
　　為了提高黑云母中鉀的轉(zhuǎn)化效率，分別探究了植酸、赤霉素和吐溫對黑曲霉風(fēng)化作用的影響，發(fā)酵液中K+溶出結(jié)果顯示植酸能夠有效增強(qiáng)黑曲霉風(fēng)化黑云母的風(fēng)化釋鉀效果。為降低成本，又以植酸粗體液-米糠發(fā)酵液代替植酸，結(jié)果顯示，與不添加米糠發(fā)酵液相比，在黑曲霉風(fēng)化黑云母的培養(yǎng)基中添加米糠發(fā)酵液使K+溶出量提高了約70mg。為了

7、進(jìn)一步提高鉀的轉(zhuǎn)化效率，通過綜合應(yīng)用化學(xué)法浸提及黑曲霉浸提的方法浸提黑云母，并且探究了經(jīng)浸提后黑云母的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物對重金屬的吸附效能。研究結(jié)果表明，硫酸能有效浸提黑云母中的鉀，黑曲霉浸提雖然沒能釋放出更多的鉀，但溶出黑云母骨架結(jié)構(gòu)的組成元素硅。這些研究結(jié)果為我國低品位鉀礦的有效利用及鉀肥的開發(fā)和生產(chǎn)提供了新思路。同時，經(jīng)浸提后，黑云母結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對Cd的吸附固定有一定效果，這對于降低我國農(nóng)田土壤重金屬的生物有效性有重要意義。
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