纤维素菌体残留物提取类腐殖质的红外光谱研究

微生物驱动下,纤维素分解及转化在腐殖质形成中具有重要作用。采用红外光谱辅以元素分析的技术手段对单一真菌(木霉、青霉和黑曲霉)及复合菌液体摇瓶培养70d后菌体残留物的类腐殖质(类胡敏酸HLA和类胡敏素)结构进行了分析对比。结果表明:(1)两技术手段的结合有助于菌体残留物HLA分子结构的阐明,然而在表征残留物类Hu结构方面,尚需进一步探讨;(2)木霉有利于其所形成菌体残留物HLA分子的缩聚作用,而青霉则更有利于该组分的降解;(3)青霉和复合菌对残留物HLA分子表现为氧化降解作用;(4)复合菌和黑曲霉均有助于培养液无机氮化合物向残留物HLA和类Hu组分中有机氮成分的转移,促使其氨基C含量增加,为腐殖化进程提供氮源。

FTIR及SEM诊断铁铝锰氧化物参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物的结构特征

铁铝锰氧化物催化木质素形成腐殖质具有重要作用。为阐明微生物-木质素-铁铝锰氧化物三者间的关系,揭示矿物-菌体残留物的结构特征,采用液体摇瓶培养法,以木质素为碳源,通过添加针铁矿、三羟铝石及δ-MnO_2粉末,在接种复合菌剂后启动110d液体培养,期间动态收集矿物-菌体残留物,利用FTIR及SEM技术对其特性进行研究。结果表明:针铁矿呈松针状结构,参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后表面附着了条状的暗色物质,表观结构不规则,但晶体结构并未改变。菌体中多糖类物质与针铁矿游离羟基的阴离子发生交换作用,芳香碳结构比例增加,菌体在针铁矿表面堆积掩蔽了Fe—OH键以及(001)面的γ-OH键,Fe—OH发生质子化使Fe—O键振动频率增强;三羟铝石表面结构疏松、呈绒球状物质,参与形成矿物-菌体残留物后,缩聚作用明显、疏松程度降低、表面微孔结构减少。氢键作用使矿物-菌体残留物的铝羟基振动频率下降,即与=Al—OH相结合的O—H键极性减弱;木质素引入使芳香碳结构比例增加,随着培养进行,其含量先下降,而后再历经缩合;δ-MnO_2表面颗粒粗糙,以絮状或颗粒状团聚,参与形成矿物-菌体残留物后,颗粒团聚趋势明显、堆积更加紧密、表面结构更加光滑。60d培养期间,δ-MnO_2结晶度受到菌体堆积以及氢键作用使O—H键的极性减弱,而后层间水分子—OH含量增加对其产生了叠加效应,使3 404~3 435cm-1处吸收峰强度增加。菌体中多糖类物质的羟基通过氢键、化学力与δ-MnO_2表面发生缔合,所形成的矿物-菌体残留物芳香碳结构比例增加,但Mn—O基团受到掩蔽;δ-MnO_2的参与能够使矿物-菌体残留物产生更大数量的芳香碳结构,为腐殖质形成提供更多的稳定性碳,其次是针铁矿,而三羟铝石则在培养30~60d更有利于木质素的微生物降解。

粘土矿物参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物的结构特征研究

粘土矿物在催化木质素形成腐殖质方面具有重要贡献。为有效阐明微生物-木质素-粘土矿物三者间的关系,探明矿物-菌体残留物的结构特征,采用液体摇瓶培养法,以木质素为碳源,通过添加高岭石和蒙脱石,在接种复合菌剂后启动110d液体培养,期间动态收集矿物-菌体残留物,利用傅里叶红外光谱及扫描电子显微镜技术对其结构特性进行了研究。结果表明:高岭石颗粒边缘多由管状体卷曲而成,在参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后,连片状细小颗粒结构进一步团聚,结合更加紧凑,短管状结构增多,但整体仍保持多水高岭石的结构特征;在初始富营养条件下,高岭石能够促进微生物繁衍,使大量菌体聚集于高岭石表面,掩蔽了Si—O和Si—O—Al键,且矿物-菌体残留物中脂族碳结构比例增加;菌体中多糖物质通过含氧官能团与高岭石表面的水化层在多个部位形成氢键,氢键的形成对于高岭石稳定木质素及其降解产物具有重要作用,芳香碳结构比例和多糖类物质含量随培养时间逐渐增加,而后复合菌株对掩蔽在矿物表面的菌体进行二次利用,使高岭石Si—O—Al键重现;蒙脱石多由浑圆的颗粒结构组成,接种微生物可使其表面产生溶蚀,团粒结构遭到破碎;与10d相比,历经30d培养所得矿物-菌体残留物中的多糖类物质增多,使原本归属蒙脱石Si—O—Si及Si—O结构的1 034~1 038cm-1处吸收峰强度增加,而后因多糖类物质与蒙脱石表面羟基发生缔合,又使该处吸收峰强度减弱,同时发生了氢键键合,该作用是蒙脱石-微生物-木质素间相互作用、形成矿物-菌体残留物的主要机制;高岭石在稳定有机碳方面的能力要高于蒙脱石,更易促进HS前体物质的形成。

矿物种类对微生物利用木质素形成细胞代谢产物及矿物-菌体残留物的特性影响

微生物驱动下的木质素降解与腐殖质形成关系密切,然而在真实土壤环境中腐殖化进程无法摆脱矿物的参与,为探索矿物对于木质素参与腐殖化进程的影响机制,文章采用液体摇瓶培养法,通过向添加高岭石、蒙脱石、针铁矿、δ-MnO_2或三羟铝石的木质素培养液中接种复合菌剂,试图在110 d培养期间动态考察其细胞代谢产物的总有机碳(TOC)含量、光密度值(E4/E6)以及矿物-菌体残留物的回收率,进而明确5种土壤常见矿物对于微生物利用木质素所得产物的特性影响。结果表明:(1)培养10 d后,针铁矿、δ-MnO_2和三羟铝石对于矿物-菌体残留物回收率的促进作用要大于高岭石和蒙脱石,110 d培养结束后,针铁矿对于矿物-菌体残留物回收率的提升效果最大,而蒙脱石影响下的回收率最小。与未添加矿物的条件(CK1)相比,δ-MnO_2、三羟铝石、高岭石和蒙脱石的参与均有利于持续稳定培养期间沉淀物质的回收率;(2)在整个培养期间,高岭石参与下细胞代谢产物的TOC含量均为最大,而δ-MnO_2参与下的TOC含量皆为最小;(3)在5种矿物的添加条件下,微生物利用木质素所形成的细胞代谢产物,其有机碳分子结构先有所复杂而后再趋于简单,尽管如此,在培养结束后,其分子复杂程度均高于CK1处理,与各自培养10 d的结果相比,高岭石、蒙脱石和三羟铝石均有利于细胞代谢产物中有机碳分子结构的复杂化,而针铁矿和δ-MnO_2却使其结构更加简单。

Maillard反应前体物质参与木质素微生物转化产物的FTIR光谱特性

腐殖质(HS)是由各类前体物质缩聚而成,前体物质是调控HS形成的关键。Maillard反应前体物质能否对木质素转化、HS形成有促进作用有待验证。鉴于此,采用液体摇瓶培养法,以木质素培养液为研究对象,通过添加邻苯二酚、葡萄糖和甘氨酸的单一及组合溶液,启动120 d的液体摇瓶培养,采用离心法收集上清液(细胞代谢产物)和沉淀(菌体残留物),分析两者性质并深入研究菌体残留物FTIR的光谱特性,系统评价各前体物质对木质素向HS转化的贡献。结果表明:(1)在木质素培养液中添加甘氨酸,历经液体摇瓶培养更有利于细胞代谢产物有机分子的缩合,使其结构趋于复杂,而邻苯二酚参与的4个处理及单独添加葡萄糖更易促进细胞代谢产物的降解,使其分子结构更加简单。与作为空白对照(CK)的无菌去离子水相比,外源添加Maillard反应前体物质能够促进细胞代谢产物矿化,使总有机碳(total organic carbon,TOC)含量下降,单一添加邻苯二酚能够使细胞代谢产物TOC含量始终高于其他处理;(2)添加Maillard反应前体物质可显著提升木质素微生物转化形成菌体残留物的回收率,单一添加邻苯二酚的菌体残留物回收率提升幅度最大,而邻苯二酚、葡萄糖和甘氨酸三者组合溶液对菌体残留物回收率的提升幅度最小,葡萄糖和甘氨酸的组合溶液使菌体残留物回收率在整个培养期间始终处于最高水平。添加Maillard反应前体物质使菌体残留物TOC含量的增加幅度小于CK,尽管如此,培养结束时,邻苯二酚参与的4个处理、葡萄糖和甘氨酸组合溶液的添加使菌体残留物TOC含量显著高于CK;(3)木质素经微生物转化形成的菌体残留物拥有羟基O—H、不对称脂族—CH_(3)、对称脂族—CH_(2)—、芳香碳C C及多糖类物质,与土壤胡敏酸有着相似的FTIR特征,但其分子缩合度尚无法达到土壤胡敏酸的复杂程度。各处理在完成培养后,菌体残留物中的羟基含量有着不同程度增加,而多糖含量有所下降,单一甘氨酸以及葡萄糖和甘氨酸组合溶液的添加使菌体残留物的脂族化程度提高,而邻苯二酚参与的4个处理及单独添加葡萄糖可使菌体残留物中的芳香碳比例进一步提高。综上,添加Maillard反应前体物质可促进细胞代谢产物矿化,使TOC含量下降、提高菌体残留物回收率,同时使其羟基含量增加、多糖含量降低,不同前体物质对菌体残留物脂族化和芳香化的影响规律不同,邻苯二酚参与的4个处理及单一添加葡萄糖可使菌体残留物中的芳香碳比例提高。

Effect of L-cysteine on bioleaching of Ni-Cu sulphide by A. manzaensis

The effect of L-cysteine in different concentrations on the bioleaching of Ni-Cu sulfide was studied with an extremely thermophilic archaea,Acidianus manzaensis. It is found that adding certain amounts of L-cysteine to the bioleaching system of Ni-Cu sulfide largely enhances the leaching rate. X-ray diffraction (XRD) patterns show the change of bioleached solid residues and the effect of L-cysteine on the surface charges of minerals. Zeta potential and IR spectra of mineral surface show that the interaction between L-cysteine and mineral leads to the formation of metal complex,which is propitious to the bioleaching of Ni-Cu sulfide by Acidianus manzaensis.