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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

微生物-矿物相互作用及界面显微分析研究进展

微生物-矿物界面的相互作用贯穿着整个生物浸矿过程,在矿物生物浸出中至关重要,受到微生物的代谢特征、矿物表面结构和物质形态及环境条件的多重交叉影响。研究微生物-矿物界面的相互作用相关的微生物选择性吸附、矿物表面元素形态转化和钝化层、微生物铁硫氧化活性和微生物群落以及胞外物质的组成和性质等的演化,有利于了解微生物-矿物界面作用机制及其关键影响因素和影响机制,从而为优化浸出工艺提供科学的理论依据。达到这些目的,界面的(原位)显微分析手段和技术的进步也至关重要。本文对近些年来上述两方面的研究进行了综述。

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.

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。

地质封存二氧化碳与深地微生物相互作用研究进展

地质封存将工业和能源相关领域生产活动产生的二氧化碳(CO_(2))进行捕集并注入到深部地下岩石构造中,以实现长期储存的目标,是降低温室气体排放、实现CO_(2)长期封存的重要可行性手段之一。向深部地下地质构造中注入大量CO_(2)会导致深地环境发生显著变化,进而引起原生微生物活性及群落结构发生明显改变。因此,地质封存CO_(2)能够直接或间接影响深地微生物驱动的生物地球化学过程。同时,微生物在短期和长期的超临界CO_(2)(scCO_(2))胁迫作用下,也会通过不同的适应性进化方式影响CO_(2)在地下环境中的迁移、转化和赋存形态。本文介绍了国内外二氧化碳捕获与封存发展现状以及地质封存CO_(2)影响条件下的scCO_(2)-水-微生物-矿物的相互作用领域的最新科研进展,并展望了利用深地微生物强化CO_(2)固定以及将其转化为高附加值产物的潜力。

Pseudomonas azotoformans F77和Pseudomonas paracarnis P1风化黑云母的效应及机制比较

【目的】比较高效矿物风化固氮假单胞菌(Pseudomonas azotoformans)F77及其亲缘关系较近的假单胞菌(Pseudomonas paracarnis)P1风化黑云母的效应和机制。【方法】通过检测两株菌在不同时间点的发酵液中细胞数量、pH值、葡萄糖剩余量、葡萄糖酸浓度和可溶性Fe、Al释放量,比较它们对黑云母的风化效果与生理机制。采用RNA-seq技术研究这两株菌风化黑云母过程中出现差异的分子机制。【结果】在持续5 d的风化试验中,菌株F77发酵液中的细胞数量和pH值低于菌株P1,葡萄糖酸浓度是菌株P1的27.3−53.9倍,Fe和Al元素的释放量是菌株P1的3.3−23.3倍。比较转录组数据表明,菌株F77特有的基因数量(2872)和差异基因数量(1832)均多于菌株P1(分别为1903和1258)。菌株F77在胞内物质跨膜转运与碳代谢、细胞运动、趋化与信号诱导等途径中基因数量也高于菌株P1。此外,菌株F77的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶基因差异表达倍数、葡萄糖酸合成基因数量和差异表达倍数也明显高于菌株P1。【结论】菌株F77风化黑云母以及合成葡萄糖酸的能力显著高于菌株P1。菌株F77通过产生葡萄糖酸来促进黑云母的风化。添加黑云母显著促进了菌株F77胞内与矿物风化相关基因的表达,如物质跨膜转运、细胞运动与趋化、信号诱导、碳代谢及能量代谢等途径基因。此外,葡萄糖酸合成途径基因、超氧化物歧化酶基因以及过氧化氢酶基因在矿物风化中可能发挥重要作用。

纳米矿物及其环境效应

纳米矿物作为连接原子/分子和块体矿物材料的桥梁,在建立矿物微观反应机制和宏观现象的研究中具有重要的意义.随着纳米地质学的迅速发展,纳米矿物在地表环境中的分布、存在形式及其反应活性引起了越来越多关注.综述了天然环境中常见的纳米矿物的成因、存在方式、特殊的尺寸效应、团聚行为、生物/非生物界面反应的分子机制,及其对地表环境和元素生物地球化学循环的影响;着重介绍了具有重要环境意义的纳米矿物与其对应的大尺寸矿物颗粒在吸附行为、溶解速率、团聚状态、催化活性、界面电子传递效率等方面的差异.对于纳米矿物与其对应的宏观矿物晶体之间差异的研究,有助于全面认识矿物对各种地质过程的作用,对于推动地球科学向更加微观和深入的方向发展具有极其重要的意义.