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。

土壤和水体环境中矿物-腐殖质交互作用的研究进展

矿物腐殖质间的交互作用是土壤和水体沉积物及悬浮颗粒物中环境物质的重要界面过程。不管是氮、磷植物性营养元素还是有毒的重金属、有机物 ,它们在表生环境中的迁移转化与归趋受到矿物、腐殖质及其复合体的表面活性和迁移性的调控。矿物腐殖质体系的界面作用研究是前沿性的研究领域 ,主要目的是揭示矿物腐殖质复合体的结构特性 (例如颗粒物的圈层结构与表面微形貌 )及其与颗粒物表面活性的关系 ,进而揭示土壤和水体环境中矿物腐殖质间的交互作用规律。本文对该领域的研究现状进行评述 。

矿物与微生物协同作用

近十年来,在国家973项目和国家自然科学基金项目资助下,我们一直致力于无机界矿物及其与有机界生物交叉方向上的环境效应基础研究。尤其在矿物与微生物交互作用方式上,继微生物形成矿物作用。

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。

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。

三塘湖盆地上二叠统烃源岩中的25-降藿烷系列与微生物改造作用

三塘湖盆地马朗凹陷上二叠统烃源岩的25 降藿烷分布明显,细菌微生物生源标志化合物丰富,原生成因的矿物沥青基质具有优势分布。综合分析这些特殊表现,认为可能在该套烃源岩沉积和早期成岩阶段,藿烷系列化合物的生物先质(藿烷醇、藿酸等)被介入烃源岩的微生物强烈降解改造,其后演化而形成25 降藿烷化合物。

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。

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。

微生物所协同的天然金红石日光催化作用研究

本文揭示了自然界中可能存在的一种新的矿物和微生物交互作用形式,即微生物通过生物电化学作用参与到半导体矿物的日光催化作用过程中。模拟日光光源下"产电"微生物与天然半导体矿物金红石交互实验结果显示,金红石的光催化作用促进了矿物端元的反应速率,提高了电子在微生物和矿物之间的转移效率,使微生物电子传递链末端电子能量得到提升。二者协同作用可提高微生物或半导体矿物单独作用时对污染物如Cr(Ⅵ)的还原处理效果。该研究为环境污染治理提供了一种矿物与微生物协同作用新理念。

土壤矿物、胡敏酸和微生物的混合体系对Cd的吸附特征

土壤重金属污染对植物、水体、生态系统的影响与土壤溶液(包括渗漏水和地表径流)的浓度及其时空变化密切相关,这是因为能被生物吸收和随水迁移的污染物、营养物主要溶解在水中。要定量在时间和空间上都变化的土壤溶液浓度,又必须阐释土壤固相的吸附(解吸)作用以及不同土壤组分(土壤矿物、有机质、微生物)的相互作用和复合效应。最简单的农田土壤生态系统:土壤-水-植物-微生物系统,也是属于多质、多相的系统。然而目前国内外对于复合系统的复合效应研究相当薄弱,以致难以对单项研究结果和数据进行综合分析。为探讨土壤固相吸附重金属过程中各组分的相互作用机制,本研究以胡敏酸(humic acid,HA)代表有机质,土壤矿物代表无机质,耐镉性微生物代表土壤微生物,采用批量等温吸附实验的方法,模拟了土壤系统中基本单元无机质-有机质-微生物对Cd的吸附效应,阐明土壤矿物-有机质-微生物在重金属Cd吸附方面的相互作用。研究结果表明:对Cd的吸附作用,HA和蒙脱石(montmorillonite)、蒙脱石和微生物、硅藻土(diatomite)和微生物具有加和性;HA和硅藻土之间,HA、微生物和硅藻土之间,以及HA和微生物之间表现为协同作用;HA、微生物和蒙脱石之间表现为拮抗作用。HA容易与其他吸附剂发生协同作用;两种矿物相比,硅藻土更容易发生协同作用,而蒙脱石表现为拮抗作用的趋势更加明显。蒙脱石和硅藻土与HA混合培养不同时间,硅藻土和蒙脱石吸附的HA的量及其混合物对Cd的吸附量都随时间的延长而增加。

微生物-金红石协同催化体系还原降解污染物的初步研究

自然环境中天然矿物与微生物在多个层次上存在交互作用并广泛参与环境自净化过程。其中,微生物可通过生物催化作用降解有机污染物(Abderrazik等,2002);

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。

马兰和普若岗日冰芯记录的微生物学特征

马兰和普若岗日冰芯记录了气候环境变化对中低纬度地区微生物群落分布和矿物结构的影响。研究表明 ,可培养微生物群落组成以细菌为主。进一步的 1 6S (1 8S)rDNA序列分析表明 ,嗜细胞菌 -黄杆菌属和衣藻属是冰芯微生物的优势地方菌群。微生物群落密度与矿物含量有密切的对应关系 ,较多的微生物群落一般出现在矿物含量较高的冰层中。但是 ,在个别具有很多矿物微粒的样品中却没有出现预期很多的微生物。马兰冰芯研究还揭示了寒冷期微生物群落密度大和暖期微生物群落密度小的反相关关系。与暖期W1中发生的一次较大的降温突变相对应 ,在L1中微生物数量也出现一个峰值。该研究为利用冰芯记录重建古气候环境变化提供了另一个有效手段。

国内市场纯燕麦片及复合麦片营养和微生物指标分析

麦片是重要的早餐食品,因相关质量标准不完善,导致目前市场上产品质量差异较大。以国内市场上销售的39种纯燕麦片和79种复合麦片为材料,分别测定其矿物质含量(Ca、Zn、Na、Fe、Se)、灰分、蛋白质、脂肪和β-葡聚糖含量,并分析微生物菌落、霉菌、大肠杆菌总数。结果表明:纯燕麦片和复合麦片各测定成分含量差异显著。复合麦片各营养成分含量变异系数大于纯燕麦片,复合麦片Ca和Na的平均含量高于纯燕麦片,而Zn、Fe、Se、蛋白质、脂肪、灰分、β-葡聚糖平均含量均低于纯燕麦片。纯燕麦片蛋白质、脂肪、灰分、β-葡聚糖平均含量分别为13.04%、7.68%、1.71%、3.38%,显著高于复合燕麦片的相应指标(5.38%、2.47%、1.61%、0.49%)(P<1%)。纯燕麦片和复合麦片能量值差异不大。复合麦片微生物总数、大肠杆菌、霉菌数量均远远高于纯燕麦片。纯燕麦片的营养品质指标和卫生指标均优于复合麦片。

一株胶质芽孢杆菌与蒙脱石交互作用实验研究

硅酸盐矿物是地表系统三大岩石中最主要的造岩矿物,广泛分布于土壤与地层中,且与微生物之间存在着普遍的交互作用,该交互作用对于研究元素的生物地球化学循环具有重要的科学意义。

植物根圈微生物群落与功能特异性机制研究

植物-土壤微生物交互作用在土壤养分循环、碳固存和温室气体排放等生态过程中发挥着重要作用,而植物源有机物输入被认为是植物-微生物交互作用的纽带。根圈土壤微生物在群落结构和功能上与根圈外土壤差异显著,并存在一定的植物群落特异性。植物源有机物的高度可利用性对土壤微生物具有复杂的影响,改变着土壤生态过程。因此,揭示植物源有机物的输入对土壤微生物的影响有助于深化对植物-土壤微生物反馈作用的认识,同时为养分循环调控、肥料施用时效、作物增产和温室气体排放及生态平衡维持提供理论支持。基于国内外最新相关研究进展,综述了两大类植物源有机物(根际沉积和凋落物)的组成和输入时间对土壤微生物群落结构和特定功能(以氮循环为例)的影响机制;探讨了稳定性同位素示踪技术、分子探针技术和宏基因组学等研究方法在植物-土壤微生物交互作用中的综合应用;总结了植物生命周期内植物源有机物化学组成和输入时空差异对植物特异性土壤微生物群落的诱导机制。植物源有机物输入对微生物群落结构和功能具有重要影响,不但显著提高优势微生物群落生物量、改变微生物群落结构及相关功能、调控特定土壤微生物活性,并且其化学性质多样性决定了土壤微生物群落植物特异性。因此,植物源有机物输入是驱动植物根圈特异微生物群落结构演替与功能演变的重要因子。

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。

胶质芽孢杆菌-蒙脱石相互作用实验研究

利用硅酸盐细菌研究了微生物对硅酸盐矿物的分解作用。选取层状硅酸盐矿物蒙脱石在30℃与一株编号为3025的硅酸盐细菌B.mucilaginosus进行交互作用,并利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)分析溶液中Si、Al、Mg离子的出溶量,利用X射线衍射(XRD)和显微红外光谱(Micro-FTIR)分析微生物作用后矿物物相和微结构变化。发现经硅酸盐细菌作用后,蒙脱石化学成分及晶体结构发生了细微变化,为微生物活动促进粘土矿物分解作用研究提供了实验和理论依据。

铁氧化物对硫酸盐还原菌分解硫酸盐矿物的协同作用

以牛肉膏为碳源,用活性污泥混合菌接种,探讨在缺氧条件下添加不同的铁氧化物对硫酸盐还原菌(SRB)分解硫酸盐矿物的影响。通过溶液pH、铁离子、硫酸根浓度以及固体产物的SEM和EDS图谱分析,揭示硫酸盐矿物分解过程和机制。实验结果表明,铁氧化物对SRB分解硫酸盐矿物起着明显的协同作用:①被铁还原菌还原的Fe2+与硫酸盐还原产生的硫化氢反应形成铁硫化物,消除硫化氢对SRB分解硫酸盐的抑制作用;②铁氧化物还原溶解,提高体系的pH和碱度,增加生化产物CO2的溶解,诱导溶解的钙离子形成方解石沉淀,促进SRB分解硫酸盐矿物的过程。