丛毛单胞菌HJ--1菌株诱导碳酸盐矿物形成机理的实验研究

摘要

微生物诱导碳酸盐矿物的形成在许多方面都具有重要的意义。研究细菌促进碳酸盐矿物的形成机理有助于完善土壤的形成和演化理论、治理重金属污染的水体，还有可能为固定大气CO2提供科学依据。近年来，在利用细菌诱导碳酸盐矿化的原理修复石质文物方面也展现了美好的前景。目前，在微生物诱导碳酸盐矿化领域已取得很多成果，但仍有一些机理问题尚不明确。鉴于微生物矿化的重要研究意义及研究中存在的不足，本文利用从土壤中分离的丛毛单胞菌并分别提取胞外聚合物和碳酸酐酶(CA)进行了三个系列的矿化实验及相应的对照实验。本文的主要目的是通过揭示细菌及其分泌物作用下形成的碳酸盐矿物种类和形态的动态变化，探讨细菌作用下碳酸盐矿物形成的机理。在实验过程中测定了细菌数量、pH值、电导率、胞外多糖含量(EPS)、碳酸酐酶(CA)、低分子量有机酸(LMWOAs)、沉淀物重量以及Ca2+和Mg2+浓度等。利用扫描电子显微镜对矿物形态进行了观察，并利用X-射线衍射仪和傅立叶红外光谱仪对矿物成分进行了测定。主要研究结果如下: (1)丛毛单胞菌HJ-1菌株具有显著的诱导碳酸盐矿物沉淀的能力，碳酸盐矿物的重量随着培养时间的延长而逐渐增加，电导率、Ca2+和Mg2+浓度与沉淀物重量均呈显著负相关，相关系数分别为0.92、0.92、0.93。 (2)HJ-1菌株和胞外聚合物的作用下形成的碳酸盐矿物均主要由文石和高镁方解石组成（其中文石的最高含量达86％），而在CA作用下形成的碳酸盐矿物则仅有方解石。碳酸盐矿物的种类在很大程度上受pH、Mg2+和EPS的控制。 (3)在HJ-1菌株和EPS的作用下形成的碳酸盐矿物在形态上复杂多样。主要有杆状、哑铃形、梭状、球状和板状以及不规则状。在CA作用下则只有球状和板状。 (4)EPS可能主要通过提供成核模板而促进碳酸盐矿物的形成，其中哑铃形矿物可能是受EPS中的羧基和Mg2+控制。EPS的存在有利于Mg2+进入方解石品格，而Mg2+的存在则有利于文石的形成。 (5)CA主要是通过催化CO2的水化反应而促进碳酸盐矿物形成，它使碳酸盐矿物的形成速率提高1.7倍。

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论文说明

摘要

英文缩写符号的中英文对照表

前言

第一章微生物成因碳酸盐矿物的研究进展

1．1 生物矿化

1．1．1动物矿化

1．1．2植物矿化

1．1．3微生物矿化

1．2碳酸盐的微生物矿化

1．2．1微生物成因碳酸盐矿物的种类

1．2．2微生物成因碳酸盐矿物的形态

1．3胞外聚合物对碳酸盐矿物形成的影响

1．3．1胞外聚合物对矿物种类的影响

1．3．2胞外聚合物对矿物形态的影响

1．4碳酸酐酶对碳酸盐矿物形成的影响

1．4．1 碳酸酐酶对矿物形成速率的影响

1．4．2碳酸酐酶对矿物形态的影响

1．5微生物诱导碳酸盐矿化机理方面存在的问题

1．6石质文物修复的研究现状

1．6．1物理方法

1．6．2化学方法

1．6．3生物方法

1．7丛毛单胞菌属Curvibacrer sp．的基本特征和研究动态

第二章材料选取和实验方法

2．1 供试菌株

2．1．1 菌种的筛选和实验菌株的确定

2．1．2培养基的配制

2．1．3菌株的基本特征

2．1．4菌种的鉴定

2．2细菌主要分泌物的提取方法

2．2．1 胞外聚合物的提取方法

2．2．2碳酸酐酶的提取方法

2．3 实验方法

2．3．1细菌诱导矿物沉淀的实验方法

2．3．2胞外聚合物促进矿物沉淀的实验方法

2．3．3碳酸酐酶促进矿物沉淀的实验方法

2．3观察和测定方法

2．3．1菌体形态的观察

2．3．2液相产物的测定方法

2．3．3 固相产物的观察和测定方法

第三章HJ-1菌株诱导碳酸盐矿物的形成

3．1．1 菌体数量和胞外多糖含量的动态变化

3．1．2菌株作用下培养液的pH值及有机酸的动态变化

3．1．3 菌株作用下培养液电导率的动态变化

3．1．4菌株作用下培养液中Ca2+和Mg2+浓度的动态变化

3．1．5菌株作用下培养液中CO32-和HCO3-浓度的动态变化

3．1．6菌株作用下培养液中碳酸酐酶的动态变化

3．1．7菌株作用下沉淀物总量及其中碳酸盐重量的动态变化

3．2菌株作用下形成的矿物种类

3．3 菌株作用下形成的矿物形态和元素组成

3．4讨论

3．4．1 形成文石+高镁方解石组合的原因

3．4．2矿物形态多样的原因

3．4．3 胞外多糖、碳酸酐酶和有机酸与沉淀物重量之间的相关性

3．5小结

第四章HJ-1菌株胞外聚合物对碳酸盐矿物种类和形态的影响

4．1 胞外聚合物作用下溶液性质的动态变化

4．1．1胞外聚合物作用下溶液pH值的动态变化

4．1．2胞外聚合物作用下溶液电导率的动态变化

4．1．4溶液中HCO3-浓度的动态变化

4．1．5溶液中胞外多糖含量的动态变化

4．1．6胞外聚合物作用下沉淀物重量的动态变化

4．2胞外聚合物作用下形成的矿物种类

4．3胞外聚合物作用下形成的矿物形态和元素组成

4．4讨论

4．4．1胞外聚合物对碳酸盐矿物种类的影响

4．4．2胞外聚合物对碳酸盐矿物形态的影响

4．4．3胞外聚合物对方解石中MgCO3含量的影响

4．5 小结

第五章HJ-1菌株碳酸酐酶对碳酸盐矿物种类和形态的影响

5．1 碳酸酐酶作用下溶液性质的动态变化

5．1．1碳酸酐酶作用下溶液pH值的动态变化

5．1．2碳酸酐酶作用下溶液电导率的动态变化

5．1．3碳酸酐酶作用下溶液中Ca2+和Mg2+浓度的动态变化

5．1．4溶液中HCO3-浓度的动态变化

5．1．5溶液中碳酸酐酶活性的动态变化

5．1．6碳酸酐酶作用下沉淀物重量的动态变化

5．2碳酸酐酶作用下形成的矿物种类

5．2．1沉淀物的XRD分析

5．2．2沉淀物的FTIR分析

5．3碳酸酐酶作用下形成的矿物形态和元素组成

5．4讨论

5．5 小结

第六章影响碳酸盐矿物形成的因素及其机理

6．1 影响碳酸盐矿物种类的主要因素

6．2影响碳酸盐矿物形态的主要因素

6．3细菌及其主要分泌物作用下沉淀物重量与溶液性质的相关性

6．3．1 沉淀物重量与pH值之间的相关性

6．3．2沉淀物重量与电导率之间的相关性

6．3．3沉淀物重量与离子浓度之间的相关性

6．4成核模板

6．5 小结

全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录