礦物巖石學報硅酸鹽細菌代謝產(chǎn)物對硅酸鹽礦物的風化作用

1、基金項目：國家自然科學基金項目（NO：51064011）責任作者簡介：肖國光（1978），江西人，碩士，講師，主要從事微生物技術(shù)在礦物加工領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。Email：zhongchanjuan@聯(lián)系電話:15170295286硅酸鹽細菌代謝產(chǎn)物影響硅酸鹽礦物風化作用的模擬試驗硅酸鹽細菌代謝產(chǎn)物影響硅酸鹽礦物風化作用的模擬試驗肖國光12）孫德四12）曹飛1，2）(1.九江學院化學與環(huán)境工程學院，九江332005；2.北京科技大學土木與環(huán)

2、境工程學院，北京100008)摘要：摘要：實驗選用一株硅酸鹽細菌，研究了實驗條件下該菌株所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對斜長石的分解與脫硅、鋁的作用。通過檢測不同風化培養(yǎng)基中代謝產(chǎn)物的種類與濃度、代謝產(chǎn)物與礦物相互作用過程中釋放礦物中硅、鋁的含量以及礦物晶體結(jié)構(gòu)的變化，研究該菌株代謝產(chǎn)物對斜長石的風化過程和作用機制。結(jié)果表明：該菌株在不同的培養(yǎng)基中均會分泌氨基酸、有機酸與多糖等代謝產(chǎn)物，其中，在礦物風化培養(yǎng)基中菌株的代謝能力明顯要高于無礦物培養(yǎng)基；各

3、種代謝產(chǎn)物均對斜長石有一定的風化作用，多糖對礦物的分解作用最為明顯，各代謝產(chǎn)物的混合物對斜長石的分解能力要高于各自代謝產(chǎn)物對礦物的分解能力。分析認為三種代謝產(chǎn)物的混合物在風化礦物的過程中具有一定的協(xié)同作用。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:硅酸鹽細菌；代謝產(chǎn)物；硅酸鹽礦物；斜長石；風化作用中圖分類號中圖分類號：Q939.1，TD952.5文獻標示碼：文獻標示碼：A微生物對鋁硅酸鹽礦物的風化機理研究表明，微生物主要是通過有機酸、生物膜、胞外聚合物和氧化還原作

4、用的方式風化鋁硅酸鹽礦物[1]。它們同時存在于微生物參與的礦物風化作用過程中，互相影響，協(xié)同作用[2]。根據(jù)現(xiàn)有文獻報道，硅酸鹽細菌[3]（B.circulans，B.mucilaginosus與B.edaphicun）或其它菌種如Pilodermasp.[4]、Aspergillusfumigatus[5]、Aspergillusniger[6]、Penicilliumsp.[7]、Mucsp.[8]、Trichodermasp.[9

5、]、Botrytissp.[10]等菌種均對硅酸鹽礦物具有一定的風化作用，利用這些菌種可以將礦物中不溶性的硅、鉀、鐵等元素轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄栽?。這一類菌種在與礦物的作用過程中可以產(chǎn)生一定量的氨基酸、有機酸與多糖，并在細菌繁殖過程中通過分解自身產(chǎn)生的多糖、有機酸而衍生出無機酸[11]。而質(zhì)子交換和配體絡(luò)合是微生物分解硅酸鹽的主要方式，前者指微生物代謝產(chǎn)生的有／無機酸中的質(zhì)子通過交代硅酸鹽礦物中的正價態(tài)元素的方式促進的分解，后者指微生物及其代謝

6、物通過絡(luò)合作用促進的礦物分解[12]。也有研究表明，硅酸鹽細菌對硅酸鹽礦物的分解過程中酸溶作用的效果很小，原因是該類菌種很少產(chǎn)生酸或產(chǎn)酸量非常小，礦物的降解作用主要依賴于菌種在代謝過程中產(chǎn)生的胞外多糖等聚合物。胞外聚合物具有絡(luò)合功能，可與礦物顆粒相互作用并形成細菌礦物復合體，提高硅酸鹽礦物的溶蝕能力[13]。另外，微生物礦物相互作用還可區(qū)分為直接作用和間接作用兩種方式：直接作用指微生物與硅酸鹽礦物直接接觸時，在細胞礦物界面形成特殊的微環(huán)

7、境（如特殊的pH值、配合物濃度等），影響礦物的風化[14]；間接作用是指微生物不與礦物接觸時對礦物風化的影響[15]。目前制約鋁硅酸鹽礦物微生物脫硅的工業(yè)化應(yīng)用的主要原因是難以篩選出性能穩(wěn)定的硅酸鹽細菌，并且該類菌種與礦物相互作用機理不明[16]。根據(jù)對現(xiàn)有文獻的查閱，很少有關(guān)硅酸鹽細菌對鋁硅酸鹽礦物的風化作用的研究報道，雖然有一些學者從理論和宏觀角度對硅酸鹽礦物微生物風化作用進行過探討[811]，但有關(guān)風化作用的細微過程和機理仍處于探

8、索階段，特別是有關(guān)細菌的單一與混合代謝產(chǎn)物對硅酸鹽礦物的風化分解作用的研究報道很少。本文選用一株硅酸鹽細菌，試驗研究菌株在不同硅酸鹽礦物培養(yǎng)環(huán)境中產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的種類與含量，并利用這些代謝產(chǎn)物對斜長石進行風化分解，試圖從細菌代謝產(chǎn)物多糖的測定[3]：對不同時期的發(fā)酵液靜置沉淀至固液分離，過濾除出發(fā)酵液中的礦粉，然后對上清液用95%乙醇沉淀莢膜多糖，離心（3900g，15min），收集多糖，50℃烘干，稱重，得粗莢膜多糖。浸出液中硅與鋁的測

9、定[17]：硅鉬藍分光光度法與鉻青天S分光光度法。斜長石被細菌代謝產(chǎn)物作用前后的表面形貌及結(jié)構(gòu)變化分析:采用XRD(JapanRigakuDMAXRB)分析礦物被細菌及代謝產(chǎn)物作用前后的結(jié)構(gòu)變化；用SEM（儀器型號：TESCANVEGAIIRSU）觀察細菌及代謝產(chǎn)物浸出前后礦物表面微觀形態(tài)變化。2結(jié)果與討論2.1菌種發(fā)酵液中代謝產(chǎn)物測定結(jié)果在不同的培養(yǎng)基中，由于礦物不同，發(fā)酵液中代謝產(chǎn)物的含量與類別均有一定的差別。在四種發(fā)酵培養(yǎng)基中有機

10、酸的含量測定結(jié)果見圖1（A—D）；不同發(fā)酵培養(yǎng)液中多糖含量與pH值測定結(jié)果見圖2A與圖2B；發(fā)酵培養(yǎng)液中氨基酸種類與含量的測定結(jié)果見表1。010203040506070800246810121416t(培養(yǎng))dρ（草酸）(mg.L1)1#培養(yǎng)基2#培養(yǎng)基3#培養(yǎng)基4#培養(yǎng)基010020030040050060070080090010000246810121416t（培養(yǎng)）dρ（酒石酸）（mg.L1)1#培養(yǎng)基2#培養(yǎng)基3#培養(yǎng)基4#培養(yǎng)

11、基0204060801001200246810121416t（培養(yǎng)）dρ(蘋果酸）（mg.L1)1#培養(yǎng)基2#培養(yǎng)基3#培養(yǎng)基4#培養(yǎng)基0102030405060700246810121416t（培養(yǎng))dρ（檸檬酸）（mg.L1)2#培養(yǎng)基3#培養(yǎng)基4#培養(yǎng)基圖1不同發(fā)酵培養(yǎng)液中各種有機酸含量隨時間的變化Fig.1Changeofcontentsofganicacidsindifferentmediawithtime0123456789