礦物巖石學(xué)報(bào)硅酸鹽細(xì)菌代謝產(chǎn)物對(duì)硅酸鹽礦物的風(fēng)化作用

1、基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（NO：51064011）責(zé)任作者簡介：肖國光（1978），江西人，碩士，講師，主要從事微生物技術(shù)在礦物加工領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。Email：zhongchanjuan@聯(lián)系電話:15170295286硅酸鹽細(xì)菌代謝產(chǎn)物影響硅酸鹽礦物風(fēng)化作用的模擬試驗(yàn)硅酸鹽細(xì)菌代謝產(chǎn)物影響硅酸鹽礦物風(fēng)化作用的模擬試驗(yàn)肖國光12）孫德四12）曹飛1，2）(1.九江學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，九江332005；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)

2、境工程學(xué)院，北京100008)摘要：摘要：實(shí)驗(yàn)選用一株硅酸鹽細(xì)菌，研究了實(shí)驗(yàn)條件下該菌株所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對(duì)斜長石的分解與脫硅、鋁的作用。通過檢測(cè)不同風(fēng)化培養(yǎng)基中代謝產(chǎn)物的種類與濃度、代謝產(chǎn)物與礦物相互作用過程中釋放礦物中硅、鋁的含量以及礦物晶體結(jié)構(gòu)的變化，研究該菌株代謝產(chǎn)物對(duì)斜長石的風(fēng)化過程和作用機(jī)制。結(jié)果表明：該菌株在不同的培養(yǎng)基中均會(huì)分泌氨基酸、有機(jī)酸與多糖等代謝產(chǎn)物，其中，在礦物風(fēng)化培養(yǎng)基中菌株的代謝能力明顯要高于無礦物培養(yǎng)基；各

3、種代謝產(chǎn)物均對(duì)斜長石有一定的風(fēng)化作用，多糖對(duì)礦物的分解作用最為明顯，各代謝產(chǎn)物的混合物對(duì)斜長石的分解能力要高于各自代謝產(chǎn)物對(duì)礦物的分解能力。分析認(rèn)為三種代謝產(chǎn)物的混合物在風(fēng)化礦物的過程中具有一定的協(xié)同作用。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:硅酸鹽細(xì)菌；代謝產(chǎn)物；硅酸鹽礦物；斜長石；風(fēng)化作用中圖分類號(hào)中圖分類號(hào)：Q939.1，TD952.5文獻(xiàn)標(biāo)示碼：文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A微生物對(duì)鋁硅酸鹽礦物的風(fēng)化機(jī)理研究表明，微生物主要是通過有機(jī)酸、生物膜、胞外聚合物和氧化還原作

4、用的方式風(fēng)化鋁硅酸鹽礦物[1]。它們同時(shí)存在于微生物參與的礦物風(fēng)化作用過程中，互相影響，協(xié)同作用[2]。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，硅酸鹽細(xì)菌[3]（B.circulans，B.mucilaginosus與B.edaphicun）或其它菌種如Pilodermasp.[4]、Aspergillusfumigatus[5]、Aspergillusniger[6]、Penicilliumsp.[7]、Mucsp.[8]、Trichodermasp.[9

5、]、Botrytissp.[10]等菌種均對(duì)硅酸鹽礦物具有一定的風(fēng)化作用，利用這些菌種可以將礦物中不溶性的硅、鉀、鐵等元素轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄栽?。這一類菌種在與礦物的作用過程中可以產(chǎn)生一定量的氨基酸、有機(jī)酸與多糖，并在細(xì)菌繁殖過程中通過分解自身產(chǎn)生的多糖、有機(jī)酸而衍生出無機(jī)酸[11]。而質(zhì)子交換和配體絡(luò)合是微生物分解硅酸鹽的主要方式，前者指微生物代謝產(chǎn)生的有／無機(jī)酸中的質(zhì)子通過交代硅酸鹽礦物中的正價(jià)態(tài)元素的方式促進(jìn)的分解，后者指微生物及其代謝

6、物通過絡(luò)合作用促進(jìn)的礦物分解[12]。也有研究表明，硅酸鹽細(xì)菌對(duì)硅酸鹽礦物的分解過程中酸溶作用的效果很小，原因是該類菌種很少產(chǎn)生酸或產(chǎn)酸量非常小，礦物的降解作用主要依賴于菌種在代謝過程中產(chǎn)生的胞外多糖等聚合物。胞外聚合物具有絡(luò)合功能，可與礦物顆粒相互作用并形成細(xì)菌礦物復(fù)合體，提高硅酸鹽礦物的溶蝕能力[13]。另外，微生物礦物相互作用還可區(qū)分為直接作用和間接作用兩種方式：直接作用指微生物與硅酸鹽礦物直接接觸時(shí)，在細(xì)胞礦物界面形成特殊的微環(huán)

7、境（如特殊的pH值、配合物濃度等），影響礦物的風(fēng)化[14]；間接作用是指微生物不與礦物接觸時(shí)對(duì)礦物風(fēng)化的影響[15]。目前制約鋁硅酸鹽礦物微生物脫硅的工業(yè)化應(yīng)用的主要原因是難以篩選出性能穩(wěn)定的硅酸鹽細(xì)菌，并且該類菌種與礦物相互作用機(jī)理不明[16]。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的查閱，很少有關(guān)硅酸鹽細(xì)菌對(duì)鋁硅酸鹽礦物的風(fēng)化作用的研究報(bào)道，雖然有一些學(xué)者從理論和宏觀角度對(duì)硅酸鹽礦物微生物風(fēng)化作用進(jìn)行過探討[811]，但有關(guān)風(fēng)化作用的細(xì)微過程和機(jī)理仍處于探

8、索階段，特別是有關(guān)細(xì)菌的單一與混合代謝產(chǎn)物對(duì)硅酸鹽礦物的風(fēng)化分解作用的研究報(bào)道很少。本文選用一株硅酸鹽細(xì)菌，試驗(yàn)研究菌株在不同硅酸鹽礦物培養(yǎng)環(huán)境中產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的種類與含量，并利用這些代謝產(chǎn)物對(duì)斜長石進(jìn)行風(fēng)化分解，試圖從細(xì)菌代謝產(chǎn)物多糖的測(cè)定[3]：對(duì)不同時(shí)期的發(fā)酵液靜置沉淀至固液分離，過濾除出發(fā)酵液中的礦粉，然后對(duì)上清液用95%乙醇沉淀莢膜多糖，離心（3900g，15min），收集多糖，50℃烘干，稱重，得粗莢膜多糖。浸出液中硅與鋁的測(cè)

9、定[17]：硅鉬藍(lán)分光光度法與鉻青天S分光光度法。斜長石被細(xì)菌代謝產(chǎn)物作用前后的表面形貌及結(jié)構(gòu)變化分析:采用XRD(JapanRigakuDMAXRB)分析礦物被細(xì)菌及代謝產(chǎn)物作用前后的結(jié)構(gòu)變化；用SEM（儀器型號(hào)：TESCANVEGAIIRSU）觀察細(xì)菌及代謝產(chǎn)物浸出前后礦物表面微觀形態(tài)變化。2結(jié)果與討論2.1菌種發(fā)酵液中代謝產(chǎn)物測(cè)定結(jié)果在不同的培養(yǎng)基中，由于礦物不同，發(fā)酵液中代謝產(chǎn)物的含量與類別均有一定的差別。在四種發(fā)酵培養(yǎng)基中有機(jī)

10、酸的含量測(cè)定結(jié)果見圖1（A—D）；不同發(fā)酵培養(yǎng)液中多糖含量與pH值測(cè)定結(jié)果見圖2A與圖2B；發(fā)酵培養(yǎng)液中氨基酸種類與含量的測(cè)定結(jié)果見表1。010203040506070800246810121416t(培養(yǎng))dρ（草酸）(mg.L1)1#培養(yǎng)基2#培養(yǎng)基3#培養(yǎng)基4#培養(yǎng)基010020030040050060070080090010000246810121416t（培養(yǎng)）dρ（酒石酸）（mg.L1)1#培養(yǎng)基2#培養(yǎng)基3#培養(yǎng)基4#培養(yǎng)

11、基0204060801001200246810121416t（培養(yǎng)）dρ(蘋果酸）（mg.L1)1#培養(yǎng)基2#培養(yǎng)基3#培養(yǎng)基4#培養(yǎng)基0102030405060700246810121416t（培養(yǎng))dρ（檸檬酸）（mg.L1)2#培養(yǎng)基3#培養(yǎng)基4#培養(yǎng)基圖1不同發(fā)酵培養(yǎng)液中各種有機(jī)酸含量隨時(shí)間的變化Fig.1Changeofcontentsofganicacidsindifferentmediawithtime0123456789