胶质芽胞杆菌YM-1/棘孢曲霉HR-1作用下黑云母向蛭石的转化

摘要

硅酸盐矿物风化是重要的表生地球化学过程。对微生物促进含钾硅酸盐矿物风化机理的研究可以为研究土壤中营养元素循环、土壤形成和演化等科学问题提供一些线索。在微生物实验体系中，关于黑云母中元素溶出速率和作用机理已有一些报道，但是对黑云母风化形成的次生矿物的研究，却极少关注。
　　本文以胶质茅孢杆菌和棘孢曲霉为实验的微生物材料，以黑云母为实验的矿物材料，开展了两个系列的矿物风化实验。利用X射线衍射技术(XRD)和电子显微镜对固相产物的矿物组成、表面形貌和表面元素组成进行了测定和观察，利用高效液相色谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪分别测定了培养液中的低分子量有机酸和主要元素（Si、Al、Fe、Mg和K）的浓度，分别研究了在细菌和真菌作用下黑云母中主要元素溶出的速率和顺序，并利用沉降-离心法重点对固相产物中的粘粒组分进行了系统的研究，以期获得次生矿物形成的实际证据。
　　本文研究结果主要有以下几点:
　　(1)胶质茅孢杆菌YM-1菌株和棘孢曲霉HR-1菌株均可促进黑云母的风化。棘孢曲霉的风化能力是胶质芽孢杆菌的约65倍，即真菌的风化能力明显强于细菌。
　　(2)无论是在棘孢曲霉还是胶质茅孢杆菌的作用下，黑云母中元素的溶出顺序均为:层间阳离子(K)→八面体晶片中的阳离子(Fe、Mg和Al)→四面体晶片中的阳离子(Si和Al)。
　　(3) YM-1菌株主要通过分泌胞外多糖和有机酸来促进黑云母的风化;HR-1菌株则主要通过分泌有机酸来促进黑云母的风化。通过分泌低分子量有机酸改变酸碱环境可能是微生物加速黑云母风化的最主要机制。
　　(4)在胶质茅孢杆菌YM-1/棘孢曲霉HR-1的作用下，部分黑云母晶层发生蛭石化，使黑云母转变为水化黑云母（其本质上是黑云母-蛭石组成的间层矿物）。其中，在YM-1菌株的作用下，形成的黑云母-蛭石间层矿物中蛭石晶层的比例最高可达75％（培养至第180d）;在HR-1菌株的作用下，蛭石晶层的比例在第90d时达到31％。这说明，水化黑云母是黑云母通过结构转化向蛭石转变过程中的中间产物。
　　(5)在含有YM-1菌株/HR-1菌株的实验中，水化黑云母的衍射峰只出现在＜2μm粒级组分的XRD图谱中，而在＜5μm组分的图谱中却没有出现。利用高分辨率透射电子显微镜(HR-FETEM)进行的观察和测定结果表明，在YM-1菌株作用下黑云母颗粒的边缘形成了蛭石。这些结果说明，黑云母的风化优先从细颗粒的边缘开始。
　　(6)利用HR-FETEM进行的观察还发现，在YM-1菌株作用后的黑云母风化残余物中存在结晶度较低的碳酸盐矿物颗粒。这说明，细菌的参与不仅有利于黑云母的风化，而且还有利于碳酸盐矿物的形成。

目录

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论文说明

摘要

英文缩写符号的中英文对照表

引言

第一章 微生物促进黑云母风化的研究进展

1．1 微生物促进黑云母风化的研究意义

1．2 微生物促进黑云母风化的影响因素

1．2．1 微生物因素

1．2．2 矿物学因素

1．2．3 环境因素

1．3 微生物促进黑云母风化的研究现状与存在的问题

1．3．1 微生物促进黑云母风化的机理

1．3．2 风化速率

1．3．3 元素溶出顺序

1．3．4 风化后形成的次生矿物

1．3．5 存在的问题

第二章 材料选取与实验方法

2．1 矿物材料

2．1．1 矿物材料的选择依据

2．1．2 矿物材料的表征

2．2 微生物材料

2．2．1 胶质芽孢杆菌

2．2．2 棘孢曲霉

2．3 培养基

2．3．1 细菌培养基

2．3．2 真菌培养基

2．4 实验方法

2．4．1 细菌实验方法

2．5 液相组分的测定方法

2．5．1 pH值和电导率值的测定

2．5．3 阳离子浓度的测定

2．5．4 低分子量有机酸的测定

2．5．5 铁载体的测定

2．6 固相组分的测定方法

2．6．1 次生矿物的提取

2．6．2 次生矿物的观察和测定方法

2．7 菌体形态的观察方法

第三章 胶质芽孢杆菌YM-1作用下黑云母向蛭石的转化

3．1 培养液化学性质

3．1．1 pH值的动态变化

3．1．2 低分子量有机酸和胞外多糖含量的动态变化

3．1．3 元素浓度和电导率的动态变化

3．2 固相产物中的次生矿物

3．2．1 X-射线衍射结果

3．2．2 微观观察和测定结果

3．3 结果与分析

3．3．1 黑云母中元素的溶出顺序

3．3．2 黑云母风化过程中形成的次生矿物类型种类及其特征

3．4 小结

第四章 棘孢曲霉HR-1菌株作用下黑云母向蛭石的转化

4．1 培养液化学性质

4．1．1 pH值的动态变化

4．1．2 低分子量有机酸和胞外多糖含量的动态变化

4．1．3 铁载体活性的动态变化

4．1．4 元素浓度的动态变化

4．2 次生矿物

4．2．1 X-射线衍射结果

4．2．2 微观观察和测定结果

4．3 结果与讨论

4．3．1 元素的溶出顺序

4．3．2 黑云母风化过程中形成的次生矿物种类及其特征

4．4 小结

第五章 细菌和真菌促进黑云母风化的效果和机制对比

5．1 细菌与真菌对黑云母的风化作用比较

5．1．1 主要元素溶出状况的对比

5．1．2 次生矿物种类

5．2 影响黑云母风化的因素

5．2．1 微生物对矿物中元素的选择性

5．2．2 微生物分泌物在黑云母风化中的作用

5．2．3 黑云母对菌株的影响

5．2．4 黑云母结构对微生物风化作用的影响

5．3 次生矿物的形成机制

5．4 小结

全文总结

1)主要结论

2)创新之处

3)对进一步开展相关研究的建议

参考文献

致谢

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