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.

硅藻细胞壁硅化过程中有机质-矿物的相互作用

生物成因二氧化硅,更为确切地说是无定形水合二氧化硅,是第二大类生物成因矿物,在丰度和分布上仅次于生物成因碳酸盐矿物。硅藻是海洋生物成因二氧化硅的主要贡献者,其复杂和多级结构的硅质细胞壁已经引起多学科研究的兴趣。生物化学研究表明,硅藻生物成因的二氧化硅是一种复合材料,除了无机的非晶质二氧化硅以外,还含有生物矿化过程中普遍存在的有机组分,例如多糖、蛋白质和长链聚胺等。对这些组分的功能研究显示,它们在诱导二氧化硅沉淀以及形成物种特异性纳米图案方面起着至关重要的作用。本文简要介绍硅藻和硅藻细胞壁组成和结构,同时着重介绍了硅化过程中的有机和生物分子的生物功能、提取于生物二氧化硅中矿化相关的有机分子参与的体外(invitro)实验以及模型有机添加剂存在下的仿生矿化等研究的最新进展。对硅藻调控的生物成因二氧化硅形成机制的深入了解,将可能从机理上把全球硅循环和碳循环联系起来;而对硅藻体内成分的鉴定和分类将有助于我们深入理解石油的物质来源和硅藻的进化历程。

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。

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。

天然有机质与重金属相互作用的分析方法进展

由于NOM(natural organic matter,天然有机质)种类及来源的多样性及其结构和性质的复杂性,导致NOM与重金属之间的相互作用存在一定的不确定性.针对NOM与重金属之间相互作用的一系列分析方法,重点阐述了谱学分析有关分析方法、等温滴定微量热法、溶出伏安法、zeta电位变化分析以及高效体积排阻色谱法等,这些方法从NOM的谱学特征、zeta电位、分子量、热力学参数及电化学性质等方面对二者之间的相互作用进行深入研究,取得了一定进展,但也存在不足.针对各分析方法的特点及其局限性,建议今后联合使用多种方法分析NOM与重金属之间的相互作用机制;通过确定不同影响因素对二者结合作用的大小和权重,建立多因素影响下二者相互作用的模型,以定性、定量分析天然水体中NOM与重金属的相互作用.

水环境中有机污染物与溶解性有机质相互作用研究

溶解性有机质(DOM)是水环境中重要的有机组分,主要通过氢键、范德华力、疏水作用等多种作用吸附结合有机污染物,影响有机污染物的迁移转化等环境行为,同时DOM对水环境中有机污染物的吸附作用还受DOM和有机污染物的性质等诸多因素的影响。

微孔模拟物Stber二氧化硅与有机质相互作用的实验研究

地球环境中普遍存在的纳米孔与有机质的相互作用对资源和环境领域许多重要科学问题(如有机质的吸附与保存、油气的赋存与采收以及二氧化碳的地质封存等)起着关键作用。然而,目前关于纳米孔特别是微孔(<2 nm)与有机质作用的系统研究还比较少。本文选择实验室合成的Stber二氧化硅作为模拟矿物微孔,采用热红联用技术(TG/DSC-FTIR)来研究其与系列有机溶剂(乙醇、正丙醇、正丁醇、正庚醇)作用后的热化学性质。结果表明,乙醇和正丙醇较易进入Stber二氧化硅微孔(孔径0.8 nm)。在NH_3催化作用下,醇与孔内外硅羟基发生烷氧基化作用,孔外烷氧基的脱除温度随着溶剂碳链增加而降低,放热效应逐渐增强;相反,孔内烷氧基的脱除温度随碳链增加而增加,放热效应逐渐减弱。在无NH_3存在条件下,由于烷氧基化作用减弱,乙醇与正丙醇能在孔内游离存在,孔内烷氧基的脱除温度随溶剂碳链增加呈下降趋势。Stber二氧化硅的微孔结构直接影响了醇类有机质在不同气氛下的热解行为,甲烷、乙烯、丙醛等分子的逸出也为纳米孔隙结构束缚下的有机质的深部热行为提供了参考。

土壤矿物与微生物相互作用的机理及其环境效应

土壤矿物与微生物相互作用是地球表层系统中重要的生态过程。微生物或生物分子与矿物间的吸附(粘附)是两者相互作用的基础。吸附(粘附)是一个由分子间力、静电力、疏水作用力、氢键和空间位阻效应等多种作用力或作用因素共同决定、影响的物理化学过程。因此,微生物和矿物的表面性质如表面电荷、疏水性和它们所处的环境条件如pH、电解质浓度、温度等,都影响着矿物-微生物吸附(粘附)过程。微生物细胞或酶可吸附于矿物表面,其结果是细胞代谢或酶活性会发生明显变化,并进一步影响土壤中诸多相关的生态、环境过程。结合4种典型的初始吸附理论:表面自由能热力学理论、DLVO理论、吸附等温线理论和表面复合物理论及本课题组近年来的研究成果,对土壤矿物与微生物相互作用的类型、机理、作用力和现代研究技术等方面的最新研究进展进行了较为全面的论述,对土壤矿物-微生物相互作用的环境效应进行了讨论,并就该领域今后研究工作的特点及应关注的问题进行了展望。

硅酸盐矿物分解细菌Bacillus globisporus Q12与云母矿物相互作用的研究

土壤矿物与微生物相互作用对土壤中一系列生态过程产生重要影响。本文通过对培养液进行K、Si、Fe、Al等元素分析,测定了菌株生长与代谢产物,结合扫描电镜和透射电镜的观察,研究了钾矿物表生硅酸盐矿物分解细菌Bacillus globis-porusQ12菌株与云母矿物(黑云母和白云母)的相互作用规律。结果表明,不同的云母矿物对B.globisporusQ12菌株的生长与代谢有不同影响;与白云母相比,黑云母更适合B.globisporusQ12菌株的生长与酸性代谢产物(如有机酸等)的合成;供试菌株能促进黑云母和白云母矿物中K、Si、Fe、Al等元素的释放。扫描电镜、透射电镜观察与能谱分析发现,B.globisporusQ12菌株能在云母矿物表面定殖,加速云母矿物的风化;菌体自身也能吸附培养液中离子和矿物碎片而形成新的矿物。

咸化湖盆储集层中咸水流体与岩石矿物相互作用实验模拟研究

柴达木盆地西部南区新生界主要为咸化湖盆沉积,近年来该领域的油气勘探取得了重大突破。前人研究认为咸化环境提高了烃类转化率对生烃有利,其对储集层的控制作用尚待进一步明确。通过高温高压实验模拟了地层条件下成岩流体与岩石矿物之间的物理化学变化,进而研究咸化环境对储集层的影响。通过对实验前、后岩石样品的物性分析和毛管压力测试表明,咸化环境对储集层总体上具有不利影响。其机理为:1盐类矿物的沉淀占据了部分粒间孔和使喉道变细或堵塞;2成岩流体中富含的部分阳离子抑制了溶蚀作用不利于次生溶蚀孔隙形成;3成岩流体中含有的大量钾离子为蒙皂石和伊蒙混层向伊利石转化提供了物质条件,且钾离子浓度越高生成的伊利石越纤细,更易堵塞喉道从而降低岩石的渗透性。

致密砂砾岩矿物与超临界CO2和地层水相互作用

为研究致密砂砾岩油藏CO2注入后与岩石和地层水的相互作用,根据M油田砂砾岩致密油藏全岩X-射线衍射(XRD)分析结果,选取方解石、长石、高岭石、伊利石4种矿物,利用超临界CO2高温高压反应釜模拟地层条件(70℃、20 MPa),通过实验前后XRD、扫描电镜、反应液离子成分及浓度的变化,研究了CO2-岩石矿物、CO2-地层水-岩石矿物的相互作用。结果表明,干燥纯CO2与岩石矿物仅发生物理变化,在地层水中CO2与岩石矿物发生明显的物理化学变化,反应强弱关系为方解石>伊利石>长石>高岭石,反应液中离子浓度亦发生了明显变化。CO2注入储层后,先与水作用,再与地层水中的离子作用,最后与岩石矿物发生化学反应。

碱与岩石矿物组分(蒙脱石、石英)的相互作用及动力学研究

本文研究了碱 (5 %NaOH ,m)与蒙脱石、石英的相互作用。蒙脱石和石英在碱的作用下发生溶蚀 ,溶蚀是一个可逆过程。在深入认识溶蚀过程的基础上 ,建立了蒙脱石与碱相互作用的动力学模型 (1)和石英与碱相互作用的动力学模型 (2 ) ,并在大量实验数据的基础上确定了相关的动力学参数。

土壤矿物学特征在华南赤红壤有机质稳定中的调控作用研究

以广州市从化的赤红壤剖面为研究对象,系统测定了土壤的pH值和机械组成,土壤剖面中有机质含量、氧化铁矿物和粘土矿物的含量及分布特征,并进行了相关性分析。研究结果表明,赤红壤剖面的总有机质、稳定有机质含量、矿物稳定有机质含量和生化稳定有机质含量的变化趋势在整体上是一致的,均随深度的增加而降低。其中,矿物稳定有机质主要存在于土壤剖面的中间层,氧化铁矿物则大都集中在土壤剖面的中上层;赤红壤剖面各层位中高岭石含量都占绝对优势,为58.7%~84%,蒙脱石的含量次之,为8.5%~16.8%,除此之外,还含有较多的三水铝石。蒙脱石的含量随深度增加而降低,高岭石和三水铝石的含量随深度增加而升高。土壤有机质与氧化铁矿物的相关性较之与粘土矿物、三水铝石要大得多,有机质含量与无定形铁含量的相关系数均高于0.90,与蒙脱石、高岭石、三水铝石的相关系数分别为0.697 1、-0.681 2、-0.049 8,可见无定形铁在土壤有机质稳定中起着重要作用,提醒应更加关注土壤中有机质碳库稳定锁定中的矿物学机制及其影响因素。

含有机质土-金属界面黏附特性与机制研究

土中有机质的存在对土-金属界面黏附有显著影响,但其影响规律及机制尚缺乏系统研究。通过在蒙脱石、伊利石和高岭土中添加泥炭,配置了不同矿质、有机质含量的黏性土样。利用MC-100型拉力试验机测试了不同含水率土-金属界面黏附力。试验结果表明:在塑限至液限含水率范围内,黏附力F与含水率w的关系曲线为典型的“钟型”;有机质含量wu增大会导致F-w曲线由高陡变扁平;土样峰值黏附力Fmax随有机质含量wu变化可分为3个阶段:波动或缓慢下降(上升)阶段、急剧下降阶段和趋于稳定阶段。利用傅积平法测试了3种黏土矿物对有机质的饱和吸附量,从而明确了有机质在土中赋存形态随有机质含量变化的过程。机理分析表明:除了有机质含量外,有机质在土中的赋存形态对土样宏观黏附力也有显著影响。最后对分布于昆明地铁5号线沿线的天然泥炭土-金属界面黏附力进行了测试,得出其黏附力较小、黏附风险较小的结论,盾构机穿越泥炭土层没出现严重黏附刀盘或堵塞现象验证了该结论。

矿物—微生物相互作用研究进展:地质微生物专栏文章评述

为适应学科发展需要，及时交流地质微生物学领域的研究成果，新辟地质微生物专栏，对近年来在微生物-矿物相互作用方面的主要研究成果进行概要介绍。专栏涉及微生物-黏土矿物的相互作用对土壤有机质保存以及土壤碳循环的影响、含方解石铜矿石微生物的氧化作用、细菌在黏土矿物表面吸附量测定方法、微生物及其碳酸酐酶在水-岩系统中对碳酸盐岩的溶蚀作用、细菌与真菌对黑云母风化作用的比较以及利用黑曲霉纯化石英砂的实验研究等。所收论文题材广泛、观点新颖，从一个侧面反映了中国在该领域的最新研究进展，具有鲜明特色，对本领域研究者有参考价值和启示作用。本期刊发该专栏的部分文章，其余部分文章将陆续刊出。

微生物与土壤矿物相互作用的研究进展

微生物体吸附于矿物表面后,其活性将发生改变,从而影响到土壤中与生物和生物分子相关的一系列土壤过程,如矿物形成与演化、土壤结构体稳定性、土壤养分有效性、土壤污染物质的毒性以及污染土壤的生物修复等。因此,研究土壤矿物、微生物相互作用,不仅有助于深入了解土壤微生物过程,而且对评估和预测土壤体系中有机污染物降解和转化的特点与动态,进而提高污染物的修复效率等有着重要的实际意义。

谈金属矿床有机质与金属元素的相互作用

与金属矿床有成因联系的有机质将包括从生物体到生物体死亡、分解乃至沉积成岩过程中所产生的一切有机质和有机体均归此类有机质。考察一下我们通常所说的与金属成矿有关的有机质主要是腐殖酸、氨基酸、羧酸、石油、沥青、干酪根和细菌,其中真正起作用的是这些物质中的含O、N、S配位体或极性基团以及这些物质所表现出的还原性质。