黑云母的生物转化释钾及其作用机理研究

摘要

我国是农业大国，而农业的发展需要以肥料为支撑，其中，钾肥需求量占很大比重。钾对植物的生长有重要作用，可以提高叶片光合作用强度，促进作物体内淀粉和糖的生物合成，增强作物抗逆性和抗病能力，还能提高作物对氮的吸收利用。我国富氮少磷缺钾，钾肥自给量不到50％，但是我国低品位钾矿的储量却十分可观，黑云母就是其中含量很丰富的一种，微生物转化法因为耗能少，环境污染小等优点受到广泛关注。但是，目前有关研究主要集中在筛选具有高效解钾性能的菌种以及其解钾有效性、解钾机理和菌剂应用等方面，而有关如何切实提高微生物转化含钾岩石的释钾效率的研究还很少。胶质芽孢杆菌和黑曲霉是土壤中普遍存在的细菌和真菌，它们能分解利用土壤中的难溶性矿物供自身生长繁殖利用，同时还能促进土壤矿物元素的生物地球化学循环，已有很多研究分别采用这两种菌作为研究微生物-矿物相互作用的模式菌株。
　　本研究首先分别采用有氮培养基和察氏培养基作为胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginosus)和黑曲霉(Aspergillus niger)的实验培养基，并以黑云母矿粉为唯一钾源，培养5d后利用ICP-OES、SEM、HPLC及酶活测定等方法，对发酵液中各种离子浓度、矿物表面形貌、发酵液中有机酸含量以及碳酸酐酶(CA)活性进行检测。结果表明，胶质芽孢杆菌与矿物通过多糖等粘性物质紧紧黏附在一起形成细菌-矿物复合体，而黑曲霉与矿物相互作用则形成了真菌-矿物聚集体。黑曲霉培养液中离子溶出量总体高于胶质芽孢杆菌培养液，其中Al3+、Fe3+和K+含量分别高出约17、30和3 mg/L;分泌的酸性物质的量和CA活性都明显高于胶质芽孢杆菌，表明黑曲霉拥有对矿物更强的风化能力。
　　进一步利用RT-qPCR检测黑曲霉在风化不同矿物时半胱氨酸合酶(CysM)、Na+/K+ATP酶(Na+/K+-ATPase)、柠檬酸合酶(CS)、脂肪酸合酶(FAS2)、谷胱甘肽S转移酶(GST)、色氨酸合酶(trpA)、丙酮酸羧化酶(PC)、碳酸酐酶(CA)等8个基因的表达情况，发现钾矿组、镁矿组和磷矿组三组中Na+/K+-ATPase基因实验组与对照组相比表达量均呈现上调趋势，而CysM、CS、FAS2、GST、trpA、PC、CA等7个基因的表达情况却有所不同，钾矿组和镁矿组两组中CysM、trpA和PC表达量上调，其余四个基因的表达量没有明显差异，而磷矿组实验组中这7个基因的表达量均低于无矿组或无明显差异。这些结果表明黑曲霉能够积极主动地克服可溶性营养元素缺乏的困难，调节部分基因的表达，上调细胞能量代谢和物质合成等生物学过程，从而产生更多的矿物风化因子。但是在面对不同矿物的情况下，黑曲霉能差异化的调节基因的表达，以适应不同的营养条件或生活环境。
　　为了提高黑云母中钾的转化效率，分别探究了植酸、赤霉素和吐温对黑曲霉风化作用的影响，发酵液中K+溶出结果显示植酸能够有效增强黑曲霉风化黑云母的风化释钾效果。为降低成本，又以植酸粗体液-米糠发酵液代替植酸，结果显示，与不添加米糠发酵液相比，在黑曲霉风化黑云母的培养基中添加米糠发酵液使K+溶出量提高了约70mg。为了进一步提高钾的转化效率，通过综合应用化学法浸提及黑曲霉浸提的方法浸提黑云母，并且探究了经浸提后黑云母的转化产物对重金属的吸附效能。研究结果表明，硫酸能有效浸提黑云母中的钾，黑曲霉浸提虽然没能释放出更多的钾，但溶出黑云母骨架结构的组成元素硅。这些研究结果为我国低品位钾矿的有效利用及钾肥的开发和生产提供了新思路。同时，经浸提后，黑云母结构发生变化，对Cd的吸附固定有一定效果，这对于降低我国农田土壤重金属的生物有效性有重要意义。
　　目前国内外对含钾岩石的微生物转化研究还存在许多问题，如何实现钾的高效转化已进入研究的瓶颈，深入开展风化机理方面的研究具有重要的学术价值和应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 钾对农业生产的重要性

1．1．1 土壤中钾的主要存在状态

1．1．2 钾对农作物的重要性

1．2 钾资源概况与我国钾肥供需现状

1．2．1 全球钾资源

1．2．2 中国钾资源

1．2．3 中国钾肥供需现状

1．3 低品位含钾岩石的开发利用途径

1．3．1 直接使用法

1．3．2 高温煅烧法

1．3．3 湿化学法

1．3．4 微生物转化法

1．4 微生物转化含钾岩石的研究进展

1．5 本论文的研究目的、内容、技术路线与意义

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

1．5．4 研究意义

第2章 胶质芽孢杆菌和黑曲霉对黑云母的风化作用

第1节 胶质芽孢杆菌和黑曲霉风化黑云母的比较研究

2．1．1 材料与方法

2．1．2 实验结果及分析

2．1．3 小结

第2节 黑曲霉风化不同矿物时几种基因的表达差异

2．2．1 材料与方法

2．2．2 实验结果及分析

2．2．3 小结

第3章 黑云母中钾的生物转化条件优化

3．1．材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．1．3 米糠发酵液的影响

3．1．4 生物化学组合法浸提黑云母

3．1．5 生物化学组合法浸提所得黑云母残渣的电镜观察和XRD分析

3．1．6 黑云母转化产物的重金属吸附效能

3．2 实验结果及分析

3．2．1 发酵液中K+的溶出量

3．2．2 添加植酸对黑曲霉生物量和产酸量的影响

3．2．3 米糠发酵液对黑曲霉风化黑云母释钾的影响

3．2．4 生物化学组合法浸提黑云母

3．2．5 浸提前后黑云母的电镜观察

3．2．6 浸提前后黑云母的XRD分析

3．2．7 黑云母转化产物的Cd吸附效能

第4章 总结和展望

4．1 主要研究结果

4．2 本文创新点

4．3 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢