黏土矿物-微生物相互作用机理以及在环境领域中的应用

黏土矿物与微生物在自然环境中广泛共存。二者之间的相互作用影响着环境中的能量流动与元素循环。黏土矿物能够给微生物提供物理或化学保护,提高微生物对外界胁迫和干扰的抵抗能力。黏土矿物同时还能给微生物提供营养元素,促进其新陈代谢过程。黏土矿物中的结构铁是微生物铁氧化还原循环的重要电子供/受体。在氧化还原的环境中,多种铁还原/铁氧化细菌可以通过还原氧化黏土矿物中的结构Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ),进而获得能量进行生长。在氧化还原过程中,微生物也可以通过溶解、转化、沉淀等作用改变黏土矿物的晶格结构及物相,或是产生新的次生矿物。黏土矿物-微生物相互作用在碳、氮、硅、磷等重要生命元素的地球化学循环中扮演着重要角色。黏土矿物可以通过吸附有机碳,降低有机碳的生物可利用性,减缓其矿化速率。在氧化还原波动的环境中,黏土矿物还可以通过活化分子氧,产生强氧化性自由基氧化降解有机质,提高其生物可利用性。黏土矿物还会吸附生物胞外酶,影响胞外酶降解有机质的效率。微生物通过耦合黏土矿物中铁氧化与硝酸盐还原,铁还原与氨氧化等过程影响氮循环。黏土矿物对磷的吸附以及风化过程中硅的释放影响着微生物的代谢活性。黏土矿物-微生物相互作用在重金属固化稳定、有机污染物降解、杀死病原菌等方面也有广泛的应用。

微生物-矿物相互作用:机制与重金属固定效应

微生物-矿物相互作用是地表中最基本的地球化学过程,影响着重金属的迁移转化与生态效应.重金属胁迫下,微生物演化出了一系列适应机制,改变着矿物的表面反应活性,而矿物反过来刺激着微生物的分泌活动.在两者的协同作用下实现了对重金属的钝化.本文综述了微生物-矿物相互作用机制,并重点总结了微生物-硅酸盐矿物、微生物-铁矿物体系中微生物和矿物的协同作用对重金属的固定机制.微生物与矿物之间的作用机制主要包括生物力学和生物化学作用.一些真菌、放线菌能利用菌丝沿着矿物晶面、解理、裂缝和晶界,在纳米尺度上对矿物进行穿插、挤压、剥蚀等生物力学作用,甚至形成矿物隧道化.而大多数微生物主要通过分泌铁载体、有机酸以及氧化还原作用改造矿物.两者相互作用改变着矿物表面及微生物活性,影响着重金属的形态.微生物-硅酸盐矿物体系主要通过提高固有活性位点利用率,增加额外吸附位点,改变与重金属的作用方式,影响矿物或微生物内部分散性,破坏矿物的结构,改变微生物的分泌活动等方式实现重金属的钝化.而微生物-铁矿物体系则主要通过加速电子转移的方式促进变价金属向低毒或无毒形态转变.期望本综述能为微生物-矿物联合修复重金属污染提供理论支持.

不同比例黄铁矿对嗜酸微生物-辉锑矿相互作用的影响研究

针对辉锑矿(Sb_2S_3)的嗜酸微生物溶解过程,研究不同比例黄铁矿(FeS_2)对嗜酸微生物-辉锑矿相互作用的影响。结果表明,微生物群落门水平丰度最高的为变形菌门(Proteobacteria),是主要的锑耐受菌;属水平丰度最高的为嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus),是酸性矿山环境的代表性优势属。SEM-EDS结果表明,微生物作用体系中,Sb_2S_3∶FeS_2为1∶1和1∶2时,矿物残渣表面发现较多腐蚀坑及细微颗粒,且Sb_2S_3∶FeS_2为1∶1时矿物界面反应更强。XRD和XPS结果表明,FeS_2促进了嗜酸微生物对Sb_2S_3的氧化分解及硫的氧化。Tafel极化曲线和交流阻抗结果表明,Sb_2S_3∶FeS_2为1∶1时微生物作用体系腐蚀电流密度最大,电荷转移阻抗最小。结果对理解锑矿区锑的迁移转化和环境归趋,进一步促进锑污染治理技术的发展具有重要意义。

土壤矿物-有机物-微生物相互作用及其环境效应

由国际土壤学联合会及国际理论与应用化学联合会发起的第4届土壤矿物-有机物-微生物相互作用国际学术研讨会于2004年9月20～23日在武汉华中农业大学举行。有来自世界31个国家和地区的土壤、环境、化学及微生物科学专家共150人参会，国际土壤学联合会第二部门主席、国际理论与应用化学联合会代表N.Senesi先生、国际土壤学联合会土壤界面专业委员会负责人黄盘铭先生、国际禁化武组织代表John Makhubalo 先生等世界著名的专家也出席会议。会议共发表116篇论文。

黄色黏球菌/铜绿假单胞菌-离子型稀土矿相互作用比较研究

以稀土矿区环境中常见的黄色黏球菌和铜绿假单胞菌为对象,比较研究这两种细菌及其发酵液与离子型稀土矿相互作用过程中的溶液行为;利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射和傅里叶红外光谱等手段分析作用前后细胞和矿物相的形态、结构、稀土元素分布和官能团变化。结果表明,黄色黏球菌、铜绿假单胞菌对稀土矿物作用过程具有一定差异性,在溶浸稀土矿过程中,铜绿假单胞菌直接作用体系相比发酵液间接作用体系溶浸稀土离子效果更好,而黄色黏球菌直接作用体系弱于发酵液间接作用体系。此外,稀土矿物的存在可以促进黄色黏球菌脂质和蛋白组分的分泌,抑制其多糖组分的分泌,而对铜绿假单胞菌,稀土矿物的存在对脂质和蛋白组分分泌影响较小,但促进了多糖组分的分泌。

铀元素微生物地球化学循环研究进展

铀元素是地球上广泛分布的放射性重金属元素之一,其地球化学循环过程受到多种微生物的调控。重点综述了微生物在铀元素形态转化过程中的作用机制,包括还原固定、非还原固定、氧化迁移及非氧化迁移。通过自然环境中铀元素-微生物之间相互作用的探讨,分析了铀元素的迁移、转化和富集机制,从而为铀矿资源勘探开发、放射性含铀废料安全处置及重金属铀污染防治修复提供指导性意见。

浸矿微生物与矿物相互作用的研究方法与技术

深入研究和理解浸矿微生物与矿物之间的相互作用机制对于提高金属浸出效率及控制酸性矿坑水的形成是必须的.研究浸矿微生物与矿物之间的相互作用过程中,各种理论方法和检测探测技术起到了决定性的作用.为了使各种方法技术更加深入地应用于研究中,文中概述了研究浸矿微生物-矿物相互作用的物理化学方法,表面成分检测方法以及微观形貌探测技术,并指出各种研究方法技术的结合是更好地探测浸矿微生物-矿物相互作用的发展方向.

关键带中天然半导体矿物与微生物协同作用及其环境响应

地球中最不均匀和最复杂的区域——地球表层系统中各个圈层交互作用地带正在成为当代国际地球科学、生命科学和环境科学中近地表环境研究领域的关键带。

地质微生物——地球环境中的“协调员”

简单介绍了微生物-地球环境的相互作用,并从微生物矿物相互作用、微生物环境修复、极端环境地质微生物学和古微生物生态重建等四个方面介绍了微生物-地球环境协调发展的意义。

矿物微生物风化作用在环境生物技术应用中的研究进展

矿物-微生物相互作用在地球岩石圈的塑造方面起着重要作用。笔者分析了土壤形成、植物生长、污染环境修复、文物古迹生物侵蚀的研究进展,认为利用生物修护技术开发矿物风化微生物,是一种经济的、环保的、具有竞争力的方法。未来,研究和应用对矿物有风化作用的微生物将会促进环境生物技术的发展。

酸性矿山废水微生物组时空演变特征及微生物-矿物互作机制

酸性矿山废水(Acid Mine Drainage,AMD)是世界范围内最严重的环境问题之一。微生物是AMD形成过程的主要驱动者,主导了该系统中Fe-S地球化学循环,并与矿物之间存在复杂的相互作用关系。对其群落结构、功能和代谢特征的深入分析有助于揭示极端酸性环境中优势物种和稀有物种的生态意义,有利于制定科学合理的AMD污染防控和修复措施。采用微生物组学(基因组、转录组、蛋白组、代谢组和表型组)方法进行系统研究有助于明确极端环境胁迫下微生物适应性反应的分子机制。AMD微生物组在尾矿酸化过程、生物膜发育过程、生物处理过程和水热驱动的季节演替等不同时间序列及局部和精细空间尺度上具有明显的系统聚类趋势,体现了其适应极端酸性和有毒金属环境的生态策略。AMD系统Fe-S生物地球化学梯度对微生物群落结构和功能具有显著的影响,铁硫代谢相关微生物对环境梯度变化的响应又驱动了Fe-S生物地球化学循环,主导了AMD矿物的演变过程、相变平衡及金属元素的形态转化。酸性矿山废水微生物成矿作用是生物和非生物反应相互作用的共同结果,表面反应控制是矿物微生物氧化反应机理的关键,接触机制是其主导机制。此外,AMD矿物的微生物还原遵循电化学过程,含铁矿物是AMD系统微生物胞外呼吸最重要的电子受体之一,铁呼吸过程驱动了AMD系统的元素生物地球化学循环,进而驱动其微生物群落和功能、代谢等的演化。

水-岩相互作用模拟的研究进展

水 岩相互作用的地球化学模拟已在模型建立和软件的开发方面取得了较大的进展。地球化学模型发展经历了从反向模拟到正向模拟,以及到现在的反应性溶质运移模拟的发展过程。许多计算模拟软件被开发出并投入到实际应用中,现在的模拟技术已能处理较大范围内温度变化、压力变化、组分变化,以及各种地质条件下的水 岩地球化学作用。许多水 岩相互作用问题要回答地质作用的过去历史,要解释或预测未来可能水环境变化,通过模拟已获得满意的解决。目前水 岩作用地球化学模拟取得的重要进步是动力学模型和耦合运移模拟已取得了实质性进展,并应用于实际研究之中。

短小芽孢杆菌-蒙脱石相互作用实验研究

主要探讨短小芽孢杆菌与钙基蒙脱石相互作用过程中的现象及机理。SEM结果显示,大量土壤菌黏附、包裹于蒙脱石表面。加入蒙脱石后,短小芽孢杆菌-钙基蒙脱体系中有机酸含量明显降低。XRD结果表明,短小芽孢杆菌作用后蒙脱石层间距增大,001面衍射峰钝化。FTIR显示作用后蒙脱石出现了来自于土壤菌的新峰,其他基团峰出现蓝移或红移现象。经二阶导数红外光谱分析验证,蒙脱石中确实出现了来自于土壤菌的其他基团振动,揭示土壤菌代谢产物进入蒙脱石层间域内的初步可能性,这将为矿物-微生物相互作用间的机理研究提供新依据。

颗石藻矿化作用的矿物学特征与地球环境指示意义

颗石藻是一类广泛分布于现代海洋的超微型浮游单细胞植物,经生物矿化作用形成的颗石粒在古海洋学研究中具有重要意义。颗石藻矿化作用对地球环境指示作用的思路是针对颗石藻矿化作用及其环境属性的复杂性,以同步辐射化学成分及精细结构的空间分布、显微形态、主微量元素成分、结构、谱学、碳氧稳定同位素等矿物学方法和生理生化表征技术,获取颗石藻矿化作用形成颗石的精细矿物标型特征和响应环境变化的环境标型特征以及相互之间内在联系,揭示颗石藻矿化作用的微观环境耦合调控机制,建立利用颗石藻指示海洋环境变化的量化指标,应用于预测颗石藻应对未来海洋与气候变化的适应机制和反演古海洋与古气候的研究。本文对颗石藻的矿化作用与地球环境指示意义做了深入探讨,对未来研究方向做了展望。

铁氧化物-微生物界面电子传递的分子机制研究进展

在地表环境中,铁氧化物矿物可以作为微生物胞外呼吸的终端电子受体/供体、电子储存介质或种间电子传递介质促进环境微生物的新陈代谢。本文介绍了矿物-微生物直接界面电子转移方式中,铁氧化物矿物与组成微生物跨膜电子传输链的细胞色素蛋白之间的氧化-还原反应机制及其影响因素,从分子水平刻画了微生物利用矿物进行胞外呼吸的过程,有助于深入理解微生物驱动的矿物转化和元素地球化学循环。

两株土壤菌与蒙脱石相互作用的实验研究

微生物-矿物相互作用普遍存在于自然界中.本文主要目的是探讨两株土壤菌与蒙脱石相互作用过程.选取了土壤中革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌各1株,分别与钙蒙脱石相互作用.在实验中,对葡萄糖消耗率、pH值随时间的变化趋势进行分析,发现蒙脱石对两株土壤菌的生长有一定的缓冲促进作用.XRD分析结果表明,蒙脱石在与土壤菌作用后,矿物晶体结构发现变化,层间距增大,C轴方向堆垛有序程序降低;FTIR分析结果表明,蒙脱石与土壤菌作用后,不仅出现了来自土壤菌的新峰,而且粘土矿物结构基团分子环境也发生改变,说明土壤菌在生长代谢产物进入蒙脱石矿物层间域内,使得蒙脱石底面间距增大.对比两株土壤菌对蒙脱石的作用效果可知,革兰氏阳性菌起着主导作用.希望此研究能够为微生物-矿物相互作用各项机理研究探讨提供新线索.

矿物成分、特征地球化学组分对水在滑带形成中作用的指示意义:以三峡库区大型滑坡为例

弄清滑坡滑带抗剪强度降低的根本原因是滑坡形成机理研究和滑坡活动趋势预测的主要内容之一。水是滑带形成过程中导致其抗剪强度衰减的最活跃因素之一。三峡库区两个大型滑坡实例分析显示,滑带及其周围岩土矿物成分、地球化学成分的变化特征指示滑带形成与水-岩(土)物理、化学作用的方式及作用程度,从而证实矿物学、地球化学研究方法和理论是揭示滑带抗剪强度降低内在机理的有效途径之一。三峡库区黄土坡滑坡临江I#崩滑体和泄滩滑坡滑带土及其周围岩土矿物学、主量化学元素的含量变化特征指示:前者滑带形成过程中,滑带部位地下水因大气降水补给、地下水的氧化作用活跃,导致滑带土抗剪强度减低,其主要原因是其中泥灰岩碎屑的水解泥化作用、方解石溶解作用和伊利石向伊-蒙混层矿物的转化作用;后者滑带形成过程中,滑带部位地下水与外界水力联系较差、地下水的还原作用强烈,滑带部位长石化学风化、次生粘土矿物增多,可知由伊利石转化的伊-蒙混层矿物增多是导致滑带土抗剪强度衰减的主要原因。

土壤菌与蒙脱石相互作用特性研究

为了探讨土壤菌与蒙脱石相互作用体系的特性,本文选取了11株吸附Sr2+效果较好的土壤菌株与提纯好的蒙脱石进行相互作用。通过对土壤菌与蒙脱石相互作用1d后培养液的pH值、葡萄糖(GLU)、Ca2+、Mg2+、Na+等的变化测试,比较了土壤菌株与蒙脱石作用后的特性变化;利用XRD分析,对土壤菌作用后的蒙脱石层间距变化进行了初步研究。结果表明吸附Sr2+效果较好的菌株大多数消耗GLU,阴性菌占大多数;与蒙脱石作用1 d后,GLU消耗率提高。与蒙脱石作用后,溶液pH有所上升。离子溶出比例趋势:Ca2+>Mg2+>Na+。蒙脱石与土壤菌相互作用1d后,层间距都有所增大,层间距的扩增与GLU消耗呈现一定的关系。与革兰氏阴性菌相比较,革兰氏阳性菌与蒙脱石相互作用1d后,蒙脱石层间距的扩增较大。

华北平原水源地水文地球化学演变特征及机制

随着地下水的减采、南水北调补水以及河道生态补水等一系列措施,华北平原水源地地下水环境发生了较大变化。以华北平原廊坊城区水源地为例,借助统计分析、piper三线图、离子组合比等手段,分析地下水水文地球化学特征及演变机制。结果表明:①自水源地开采初期至强开采期,区域地下水具有较强的动力条件,地下水中水化学作用以矿物溶解作用为主,水化学类型以HCO_(3)-Na、HCO_(3)·Cl-Na型为主;南水北调后地下水动力条件相对减弱,地下水中水化学作用以阳离子交替吸附作用为主,水化学类型以HCO_(3)-Na、HCO_(3)·SO_(4)-Na型为主。②水文地球化学模拟结果显示,1974,1995,2019年地下水中矿物溶解量分别为0.17,1.43,0.21 mmol/L,水-岩相互作用呈弱-强-弱的趋势变化,研究区深层地下水的水质变化主要受萤石矿物及碳酸盐、硅酸盐矿物的溶解作用和阳离子交替吸附作用的影响,表明区域地质、水文地质条件以及人类活动等影响地下水流场,改变水岩相互作用的反应程度。研究成果可为华北平原地下水资源开发利用提供科学依据。