微生物与矿物相互作用的实验研究——以Burkholderia sp.和黑云母为例

摘要

原生硅酸盐矿物风化对土壤形成和长尺度的全球气候变化具有十分重要的意义。在矿物风化过程中，微生物起着重要的作用。研究微生物与矿物的相互作用，能够为矿物的风化机理和生物矿化提供一定的理论依据。
　　 本文选择抗风化能力较弱的、具有层状构造的铝硅酸盐矿物－黑云母为原生硅酸盐矿物的代表，选择被预备实验证明具有分解硅酸盐矿物能力的伯克霍尔德细菌为微生物的代表，开展了一系列的微生物－矿物相互作用的实验研究，包括吸附实验、风化实验和细菌对矿物环境的响应实验。主要研究内容和结果为：
　　 (1)从花岗岩风化壳中筛选了一株能够分解硅酸盐矿物的细菌，对菌落形态的观察和16SrDNA鉴定结果表明，该株细菌为伯克霍尔德细菌（Burkholderia sp.，代号为8B）。
　　 (2)Burkholderia sp.8B和硅酸盐细菌YM在正长石及黑云母上吸附行为的对比研究表明，不同种类的细菌在同一种矿物表面上的吸附能力有差异；两种细菌均倾向于选择性吸附在正长石上，而且细菌浓度越大这种倾向越明显。
　　 (3)在静置培养条件下，110d后黑云母的＜1μm粒级风化产物中发现了次生矿物。根据＜1μm风化产物的XRD图谱和能谱分析结果，我们推测风化产物中可能存在蛭石和蒙脱石。对照实验结果表明，黑云母中的Fe、Al、Si等元素在HCl作用下更容易溶出，但不利丁形成次生矿物，这表明微生物的存在有利于次生矿物的形成。次生矿物形态主要呈片状集合体和球状体。我们初步推测，片状集合体可能为蛭石，其形成过程可能为继承型模式；球状体矿物可能为蒙脱石，其形成过程可能为溶解－沉淀模式。
　　 (4)黑云母的存在会影响Burkholderia sp.8B分泌有机酸和多糖的含量。在有机酸中占优势的是草酸，它能显著加速矿物中各种元素的溶出。振荡培养过程中，只有K、Fe、Al、Si从黑云母中溶出；而在静置培养过程中，元素从黑云母中溶出顺序为：K-Al、Si-Fe-Mg-Na-Ca。
　　 本文的初步实验结果说明，Burkholderia sp.不仅能促进黑云母的风化，还有利于次生矿物的形成。这为Burkholderia sp.用于研究矿物风化创造了有利条件。

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章 文献综述

1.1 矿物风化的意义

1.2 微生物促进矿物风化的意义

1.3 生物风化的研究现状

1.4 生物矿化

1.4.1 生物矿物的类型

1.4.2 硅酸盐矿物的生物矿化

1.5 有机物质在生物矿化中的作用

1.6 Burkholderia sp.（伯克霍尔德菌）

1.6.1 Burkholderia sp.在工农业上的应用

1.6.2 Burkholderia sp.在环境保护上的应用

第二章 细菌在矿物表面上的吸附及其选择性

2.1 材料与方法

2.1.1 供试菌种和矿物

2.1.2 实验方法

2.2 结果与分析

2.2.1 YM在正长石和黑云母上的吸附

2.2.2 8B在正长石和黑云母上的吸附

2.3 讨论

2.3.1 细菌种类对吸附行为的影响

2.3.2 矿物种类对吸附行为的影响

2.4 小结

第三章 Burkholderia sp.(8B)作用下黑云母的风化

3.1 实验材料与方法

3.1.1 实验材料

3.1.2 实验和测定方法

3.2 实验结果

3.2.1 培养过程中溶液性质的变化

3.2.2 培养过程中固相产物矿物成分的变化

3.3 次生矿物的形成

3.3.1 片状集合体

3.3.2 球状体

3.4 小结

第四章 黑云母对Burkholderia sp.(8B)生理特性的影响

4.1 实验材料

4.1.1 8B的分离纯化

4.1.2 黑云母的制备

4.2 实验和测定方法

4.2.1 实验方法

4.2.2 测定方法

4.3 实验结果

4.3.1 pH值的变化

4.3.2 细菌形态的变化

4.3.3 多糖含量的变化

4.3.4 有机酸含量的变化

4.3.5 元素含量的变化

4.4 小结

第五章 全文结论及展望

5.1 全文总结

5.2 主要创新点

5.3 存在的不足之处

5.4 展望

参考文献

致谢

附录一：攻读硕士学位期间发表的论文目录

附录二：菌种测序结果

附录三：能谱分析图

附录四：溶液中元素含量的测定结果