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.

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。

矿物和水对干酪根热解生烃作用的影响——Ⅲ.甾、藿烷(烯)的形成与热演化

金管-高压釜体系下干酪根热模拟实验结果表明,在不同含水量和不同矿物介质条件下,甾、藿烷(烯)的热演化特征具有明显差异。在纯干酪根、干酪根+水(TOC¨水=1¨1.5)和干酪根+高岭石+水(TOC¨矿物¨水=1¨24¨7~10)三种情形下,甾、藿烷(烯)热演化速率高于干酪根+蒙脱石、方解石或白云石+水(TOC¨矿物¨水=1¨24¨7~10)三种情形。对于前三种情形,藿烯类的热稳定性比17β(H)21β(H)-藿烷类低,对于后三种情形两类化合物的稳定性正好相反。C3122S/(22R+22S)升藿烷和C2920S/(20R+20S)和C29αββ/(ααα+αββ)甾烷比值都先从240℃至280℃降低,然后从280℃至320℃升高。表明这些化合物以不同的键合方式结合在干酪根上。

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。

无机界矿物天然自净化功能之矿物光催化作用

在简述半导体光催化理论及TiO2 多相光催化作用近 30年研究现状的基础上 ,重点对国内外一直处于空白状态的天然含钒金红石光催化性能进行研究。天然含钒金红石中部分Ti4+ 被V5+ 包括Fe3 + 、Cu2 + 和Zn2 + 等杂质离子替代可引起其晶格畸变与缺陷。机械粉碎到 70～ 80 μm后可使其晶胞膨胀 0 .33% ,原位加热 70 0～ 110 0℃其晶胞可膨胀 0 .93%～ 2 .13% ,淬火改性其晶胞收缩 0 .0 1%～ 0 .0 7%。受热改性其体相中V5+ 向表面偏析。对晶格畸变的修复可表现为晶面重构和再结晶作用及微应力释放作用。粉碎的金红石对卤代烃三氯乙烯和四氯乙烯具有一定的降解效果而表现出良好的光催化活性。加热 10 0 0℃ ,金红石对卤代烃的降解率明显提高。淬火 10 0 0℃和110 0℃ ,金红石对卤代烃的降解速度大大加快。而电子辐射金红石对三氯乙烯的降解率则明显降低。通过 5 2种金属氧化物和金属硫化物半导体矿物的初步研究 ,发现大多数金属氧化物矿物产生光电子的波长范围是 2 4 9～ 777nm ,吸收光主要是可见光。而大多数金属硫化物矿物产生光电子的最大波长大于 92 1nm ,吸收光主要是红外光 ,充分表明无机界具有光催化功能的半导体在可见光条件下就可以产生光电子与空穴。系统开展无机界矿物光催化作用研究 。

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。

矿物表面对金吸附作用的实验研究

矿物表面对金吸附作用的实验研究曾志刚（中国科学院地球化学研究所，贵阳５５０００２）关键词矿物表面吸附作用，金吸附，吸附作用机理以前大多认为由于各种物理一化学参数的变化才导致流体中含金配离子或配合物的不稳定，从而使金以单质或含金化合物的形式直接从成矿流...

天然矿物光电效应:矿物非经典光合作用

地球上生物因受到太阳光辐射作用而进化出结构精致的光合作用系统。太阳光辐射对地球表面广泛分布的无机矿物的影响与响应机制长期未被重视与理解。我们新发现的地表"矿物膜"转化太阳能系统,具有潜在的产氧固碳作用,体现出自然界中固有的矿物光电效应与非经典光合作用。本文在总结自然界中矿物光电子能量特征,特别是地表"矿物膜"特征及其光电效应性能的基础上,重点探讨铁锰氧化物矿物表现出的光电效应、产氧固碳作用与地质记录。提出矿物享有光电效应特性,地表"矿物膜"富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物,在日光辐射下具有稳定而灵敏的光电转换性能,产生矿物光电子能量;提出矿物拥有非经典光合作用的性能,自然界无机矿物转化太阳能系统类似生物光合作用吸收转化太阳能的产氧固碳系统,地表"矿物膜"光催化裂解水产氧作用及其转化大气和海洋二氧化碳为碳酸盐矿物作用,孕育出"矿物光合作用";提出矿物具有促进生物光合作用的功能,生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的锰簇化合物结构体,初步认为水钠锰矿可能促使蓝细菌光合作用系统的起源,矿物影响与削弱水分子氢键以改变水的性质,可提高水的分解程度与光合作用效率,为进一步探索矿物促进生物光合作用机理提供科学技术突破的机遇。

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。

矿物相互作用对岩石单轴抗压强度的影响研究

针对岩石矿物颗粒之间的相互作用程度不同的特点,采用弯矩贡献因子β模拟了岩石矿物颗粒之间的相互作用力的强弱。依据花岗岩室内单轴压缩试验曲线对细观参数进行了识别。在此基础上,定量研究了β对岩石类材料的变形、强度特征以及微裂纹行为的影响。以4种室内单轴压缩应力应变曲线来验证弯矩贡献因子的适用性。结果表明:β对峰值强度、拉剪裂纹比重以及破坏模式的影响很大;随β的增加,峰值强度呈现线性减小的规律,拉剪裂纹比重呈现指数型增长规律,破坏模式也从对角型破坏面逐渐发展为“V”型破坏面;通过调整β,模拟得到的曲线与室内试验应力应变曲线良好吻合。

试析矿物掺和料对高性能混凝土的影响及其作用

高性能混凝土因其优异的工作性、强度、体积稳定性和耐久性而得到广泛应用。高性能混凝土的三个显著特征是低水胶比、掺加矿物掺和料和高效减水剂。本文重点介绍矿物掺和料对高性能混凝土产生的三种效应，常用矿物掺和料的品种、分类及其矿物组成，矿物掺和料对高性能混凝土的影响和作用，以及矿物掺和料的工程应用实例等内容。希望借此能够提高广大工程技术人员、试验人员对高性能混凝土的进一步认识，并推动高性能混凝土及矿物掺和料得到更科学、合理地应用。

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。

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。

矿物吸附金的实验研究及其在红土型金矿形成中的意义

Au(Ⅲ ) -氯化物和Au(Ⅰ ) -硫代硫酸盐被蒙脱石、高岭石、伊利石、针铁矿、褐铁矿及黄铁矿的吸附实验研究结果表明 ,各种矿物对AuCl-4的吸附作用显著大于Au(S2 O3 ) 3 -2 ,粘土矿物对金的吸附能力 ,蒙脱石 >高岭石 >伊利石 ;含铁矿物中 ,黄铁矿 >针铁矿 >褐铁矿 .矿物对金的吸附作用与矿物结构和金的存在形式有关 ,即受矿物表面基、金组分的稳定性和位阻的影响 ;天然雨水中所含微量H2 O2 是Au、黄铁矿等不同矿物氧化 -还原的催化剂 ,可加速地表岩 (矿 )石的风化氧化过程和Au的溶解与迁移 .雨水对红土中的Au具有一定的淋滤浸取能力 .红土型金矿形成于富Cl-、SO2 -4的酸性、氧化的水化学环境 ,含金黄铁矿等硫化物的氧化不仅直接导致了Au的溶解和酸的释放 ,而且其反应产物Fe3 + 、S2 O2 -3 等为Au的氧化、溶解和迁移提供了氧化剂和络合剂 ,并促进Au的溶解和迁移 ;Au主要以硫代硫酸络合物、氯化络合物及其水合物的形式进行迁移 ;硫代硫酸根的氧化和风化壳下部的还原作用是导致金络合物失稳、Au被其他矿物吸附和沉淀富集的主要因素 .

成矿地球化学:科学问题与研究思路

地学领域一切问题研究的本体是源自壳—幔作用的对全球资源与环境产生深刻影响的物质世界。成矿地球化学理论认为,成矿物质是成矿系统影响成矿过程的内在因素,以成矿物质为主体研究成矿物质与成矿作用问题是成矿地球化学理论的基本含义,也是成矿规律与成矿理论研究的核心问题。成矿物质在成矿系统成矿作用过程形成相应规模的成矿系列。本文概略地提出成矿地球化学研究的若干科学问题,其中全球成矿系统主要研究成矿物质在全球成矿作用中成矿域、成矿省及成矿区带系列的成矿过程与成矿关系问题,区域成矿系统主要研究区域成矿作用中矿田系列成矿过程与成矿关系问题,矿田成矿系统主要研究矿田成矿作用中矿床系列成矿过程与成矿关系问题,矿床成矿系统主要研究矿床成矿作用中矿体系列成矿过程与成矿关系问题,以及研究这些问题的基本思路,包括全球各级次成矿系统与成矿系列在成矿过程中成矿物质的成因来源、迁移演化、分异富集及分带关系问题,总结成矿规律,探寻成矿机理,指导资源勘查预测。成矿地球化学以现代信息化、模式化与智能化应用研究为支撑,运用地球系统科学思想研究成矿系统与成矿系列问题,构建成矿地球化学研究的理论框架,为矿产资源勘查、评价与开发技术方法提供理论基础。

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.

粤北诸广矿区碱交代岩岩石化学和矿物化学特征及其与铀成矿关系

诸广矿区与铀矿化关系密切的碱交代作用广泛发育,碱交代岩与围岩(正常花岗岩)对比,Na2O、K2O明显增高,Al2O3、Fe2O3也增高;SiO2明显降低,FeO、MgO、CaO也降低,表明K2O和Na2O被带入。矿物化学成分分析得出诸广碱交代岩的长石主要为钠长石与钾长石;绿泥石主要属铁镁绿泥石和蠕绿泥石;黄铁矿有的含铀量较高,据Fe/S值属硫亏损型,据S/Se值属岩浆热液矿床范畴;云母属白云母及少量铁白云母;铀矿物和含铀矿物的UO2含量以沥青铀矿较高,钍石较低,铀矿石的蚀变矿物和造岩矿物有的也含微量铀。碱交代作用既释放矿质又为矿质沉淀创造空间,碱交代岩既提供铀源又是一种有利的成矿围岩。

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。

生命活动中矿化作用的环境响应机制研究

生物矿化作用及其环境响应机制的研究,关键在于研究生命活动制约矿物形成、分解的机理及其环境响应机制,其内容主要包括生物矿化作用的机理、生物矿化作用的环境效应、生物矿化作用的调控理论和方法。可实现的研究目标是从多学科角度发展生物矿化作用的理论,阐明自然界中矿物-生物-重金属/POPs-水之间的相互作用机理与环境响应机制。有望揭示微生物控制重金属矿化的微观机制,提出微生物治理重金属污染原理;揭示半导体矿物-微生物协同作用降解POPs机制,发展三元体系研究方法;揭示微生物促进多金属矿山硫化物分解机制,提出微生物分解矿物对生态环境影响的调控方法等。以促进地质生物学前沿交叉学科发展,形成未来环境污染防治重大新技术的科学基础。