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- 1 - 第36卷第1期 非金属矿 Vol.36 No.1 2013年1月 Non-Metallic Mines January, 2013 微生物对矿物的风化作用包括直接作用 （溶蚀作 用及机械破坏作用） 与间接作用 （化学腐蚀作用） 以 及这 2 种作用的综合。研究表明， 微生物促进矿物风 化分解的机制主要是通过微生物新陈代谢产物溶蚀 矿物， 或者通过导致矿物产生岩石变化或溶解的岩石 组分氧化或还原作用来风化分解矿物 [1-3]。根据已有 文献报道， 硅酸盐细菌 B circulans、 B mucilaginosus 与 B edaphicun 或其它菌种如 Piloderma sp、 Aspergillus fumigatus、 Aspergillus niger、 Penicillium sp、 Mucor sp、 Trichoderma sp、 Botrytis sp 等 [2-10] 菌种均对硅酸盐矿 物具有一定风化作用。这一类菌种在与矿物作用过 程中可产生一定量氨基酸、 有机酸与多糖， 在细菌繁 殖过程中通过分解自身产生的多糖、 有机酸而衍生出 无机酸。质子交换和配体络合是微生物分解硅酸盐 矿物的主要方式 [11]。 一些学者从理论和宏观角度对硅酸盐矿物微生 物风化作用机制进行过探讨 [8-13]， 但有关风化作用的 细微过程和机理仍处于探索阶段， 有关细菌的单一与 混合代谢产物对硅酸盐矿物风化分解作用的研究报 道很少。本试验选用一株硅酸盐细菌， 研究菌株在不 同硅酸盐矿物培养环境中产生代谢产物的种类与含 量， 并利用这些代谢产物对不同结构的硅酸盐矿物进 行风化分解， 对比分析细菌代谢产物及细菌对硅酸盐 矿物中硅、 铝的溶出能力差异， 以及对矿物表面形貌 及结构的影响程度来探讨硅酸盐细菌代谢产物对硅 酸盐矿物的风化作用过程及机制。 1 实验部分 1.1 原料 供试菌株为硅酸盐细菌， 购自北京北纳 创联生物技术研究院， 编号为 CGMCC1.0153。用硅 硅酸盐细菌代谢产物对不同结构硅酸盐矿物风化作用的影响 王秀林 孙德四* 曹 飞 （九江学院 化学与环境工程学院，江西 九江 332005） 摘 要 选用一株硅酸盐细菌， 采用摇瓶发酵培养， 对比分析不同结构硅酸盐矿物刺激与促进细菌产代谢产物的差异； 采用摇瓶浸矿试验， 研究细菌代谢产物及细菌对石英、 斜长石与高岭石的风化分解作用。结果表明， 硅酸盐矿物可促进细菌产草酸、 酒石酸、 苹果酸等有机酸、 氨基酸与 多糖， 同时可刺激细菌代谢产生特定的柠檬酸与氨基酸， 高岭石对细菌代谢产有机酸与多糖促进作用最强， 斜长石对细菌代谢产生氨基酸促进作用 最明显； 各代谢产物均对硅酸盐矿物具有一定的风化分解作用， 其中多糖对矿物分解作用最强， 混合代谢产物对矿物具有更强的风化作用； 具层状 结构的高岭石较架状结构的斜长石更易被细菌及代谢产物所风化分解； 3 种代谢产物的混合物在风化矿物过程中具有明显协同作用； 细菌对矿物 分解作用明显较混合代谢产物强， 表明细菌对矿物风化分解作用是生物物理及化学等多种因素共同作用的结果。 关键词 硅酸盐细菌 代谢产物 风化作用 硅酸盐矿物 中图分类号 Q939.1;TD97 文献标识码 A 文章编号 1000-8098201301-0001-04 The Influence of Silicate Bacterial Metabolites on Weathering of Silicate Minerals with Different Crystal Structures Wang Xiulin Sun Desi* Cao Fei School of Chemistry Environmental Engineering, Jiujiang University, Jiujiang, Jiangxi 332005 Abstract The difference of bacterial metabolites secreted by the selected silicate bacterium in differrent media containing silicate minerals with different structures was investigated in shake flasks. The weathering of quartz, orthoclase and kaolinite by microbial metabolites and bacteria was researched by shake flask bioleaching experiments. The results show the tested silicate minerals can promote the strain to secrete organic acids oxalate, tartaric acid and malic acid, amino acids and polysaccharide, and stimulate the strain to produce citric acid and some specific amino acids. Kaolinite promotes the strain to secrete organic acids and polysaccharide more obviously, and orthoclase stimulates the strain to produce amino acids higher effectively than other tested silicate minerals. Amino acid mixture, organic acid mixture and polysaccharide can weather tested silicate minerals, and polysaccharide has the strongest mineral weathering ability. The complex of all metabolites can decompose minerals more effectively than amino acid mixture, organic acid mixture and polysaccharide alone. Different metabolites have a certain synergistic effect on weathering anorthose. Kaolinite with layer structure are more easily decomposed than orthoclase with framework structure by bacteria. Bacteria can more effectively weather minerals in comparison with the metabolite complex, the result shows that silicate bacteria can weather silicate minerals at the integrated operation of many microbial, physical and chemical factors. Key words silicate bacterium metabolites weathering silicate mineral 收稿日期2012-12-10 基金项目国家自然科学基金（51064011、51264014）。 *通讯作者，E-mail ssddss15；Tel 15170295286。 - 2 - 第36卷第1期 非金属矿 2013年1月 酸盐细菌专性培养基[13]活化后用牛肉蛋白培养基 （牛 肉膏 0.3， 蛋白胨 1， NaCl 0.5） 进行多次培养后 分离待用； 供试矿物为斜长石、 石英与高岭土， 均购自 中国地质博物馆， 通过 XRD 分析知纯度均在 98 以 上； 培养基， 1 培养基为硅酸盐细菌专性培养基 [13]； 2、 3、 4 培养基分别在 1 培养基中加入 -75 μm 斜 长石、 石英与高岭土矿粉 5 g。 1.2 实验方法 不同培养基对细菌代谢的影响试验 在 4 个 100 mL 锥型瓶中分别装 50 mL 培养基 1、 2、 3、 4， 120 ℃下灭菌 2 h， 冷却后， 将硅酸盐细菌种 子液 [8] 按 5 接种量 （1.7108个/mL） 接入锥型瓶中， 28 ℃振荡培养 （200 r/min） ， 培养时间为 0、 1、 2、 4、 7、 9、 10、 12、 15 d。测定发酵液各时间段 pH 值、 有机酸、 多 糖含量。氨基酸种类与含量只测定发酵 7 d 和 12 d。 代谢产物及细菌对硅酸盐矿物风化作用试验 选取 250 mL 锥型瓶， 每瓶分别加入 2、 3、 4 培养 基 90 mL 和粒径 -75 μm 的石英、 斜长石与高岭石矿 粉各 5g， 然后分别加入一定量不同类型的代谢产物 或接入活细菌。设计 7 组浸出试验 CK， 不接菌且 不加任何代谢产物； A， 加入混合氨基酸， 质量浓度为 12 μg/L（根据发酵液中单氨基酸浓度配制） ； B， 加入 混合有机酸， 质量浓度为 1.00 g/L（根据 2 培养基发 酵液中最大单酸浓度配制） ； C， 加入多糖， 质量浓度 为 8.75 g/L（多糖从发酵液中提取） ； D， 加入混合有机 酸与多糖， 质量浓度为 9.75 g/L； E， 加入混合有机酸、 多糖与混合氨基酸， 质量浓度约为 9.80 g/L； F， 接入活 细菌， 初始浓度为 4.7107个/mL。以上每组试验均设 3 个平行样。将 250 mL 锥型瓶置于培养摇床中， 在 28 ℃、 200 r/min 的条件下连续浸出 15 d。测定浸出液 中 SiO2与 Al2O3的含量， 采用 SEM 与 XRD 分析 15 d 后各矿物的表面形貌及结构变化。 1.3 测定方法 氨基酸测定 [12] 取不同时期发酵液 10 mL， 加新配制的 5 三氯醋酸 60 mL 充分混合， 离 心 （2500g， 15 min） ， 将上清液倒入 500 mL 圆底烧瓶 中， 在 40℃下小减压蒸干， 再加蒸馏水 10 mL， 重复此 操作 3 次以除去三氯醋酸， 用 0.04 mol/L 盐酸稀释至 适当浓度， 用 HPLC 做定性与定量分析。 有机酸测定 [12] 取不同时期发酵液 20 mL， 加 入 12 mol/L 硫酸 10 mL， 搅拌后静置 1 h， 然后加入 1 mol/L 硫酸 100 mL， 低温搅拌 30 min， 离心 （2500g， 10 min） ， 上清液在 50 ℃下真空浓缩至 10 mL， 浓缩液 用阳离子交换树脂柱除去氨基酸， 用 0.03 H3PO4洗 脱样品， 洗脱液真空浓缩至 5 mL， 用 HPLC 法测定 4 种有机酸 （草酸、 柠檬酸、 酒石酸、 苹果酸） 含量。 多糖测定 [12] 不同时期发酵液静置沉淀至固液 分离， 过滤除去矿粉， 上清液用 95 乙醇沉淀荚膜多 糖， 离心 （3900g， 10 min） ， 收集多糖， 在50 ℃下烘干， 得粗荚膜多糖。 浸出液中硅与铝测定 [14] 硅钼蓝分光光度法与 铬青天 S 分光光度法。 表面形貌及结构变化分析 采用 XRD （日本理学 D/MAX-RB） 分析矿物被细菌及代谢产物作用前后的 结构变化； 采用 SEM（TESCAN- VEGAIIRSU） 观察 细菌及代谢产物浸出前后矿物表面微观形态变化。 2 结果与讨论 2.1 硅酸盐矿物对试验菌种代谢产物的影响 4种 发酵培养基中有机酸与多糖含量以及 pH 值测定结 果， 见表 1； 氨基酸种类与含量测定结果， 见表 2。 由表 1 可知， 菌株在 1 培养基中不产生柠檬酸， 表明硅酸盐矿物可促进菌株产柠檬酸， 菌种在矿物培 养基中产酸能力明显高于 1 培养基， 且不同硅酸盐 矿物促进与刺激菌株产有机酸能力存在明显差异。 菌株在 4 培养基中产生草酸、 酒石酸、 苹果酸、 柠檬 酸 4 种有机酸量最大， 最大值分别为 77.88、 980.2、 120.4、 61.23 mg/L； 其次为 3 培养基， 分别为 71.25、 918.2、 106.3、 47.21 mg/L； 2培养基试验菌株产酸量最 低， 分别为 60.12、 845.3、 91.23、 461.23 mg/L。 由表 1 还可看出， 不同培养基中 pH 值差异不大， 说明矿物对菌株产酸能力影响不明显； 加入矿物能促 进菌株产多糖， 表明硅酸盐矿物可刺激与促进细菌代 表 1 试验菌株在不同培养环境中有机酸与多糖含量以及pH值 1 培养基2 培养基3 培养基4 培养基 4 d7 d10 d15 d4 d7 d10 d15 d4 d7 d10 d15 d4 d7 d10 d15 d 草酸 /mg/L42.0251.2639.5618.9352.4460.1251.2330.4460.5071.2568.7541.2265.8777.8871.2248.50 酒石酸 /mg/L 364.5512.4644.2498.6452.2689.1845.3745.7568.2756.3918.2856.2687.2826.0980.2912.3 苹果酸 /mg/L 41.2658.2478.1658.2656.2361.2591.2375.0167.8878.03106.390.1172.9689.28120.4101.1 柠檬酸 /mg/L----31.2133.5641.2337.5535.6640.0347.2146.3347.2157.2361.2357.11 多糖 /g/L5.126.106.404.985.897.128.005.116.127.898.106.456.858.128.756.98 pH 值6.76.616.216.896.446.406.006.76.426.325.906.686.346.255.906.60 - 3 - 硅酸盐细菌代谢产物对不同结构硅酸盐矿物风化作用的影响王秀林，孙德四，曹 飞 谢产胞外多糖的能力， 且不同硅酸盐矿物促进程度不 同。4 培养基中菌株产多糖量最大， 为 8.75 g/L， 1、 2、 3 培养基中多糖量分别为 6.40、 8.00、 8.10 g/L。在 发酵培养后期 （15 d） ， 各发酵液中多糖量均明显下降， 表明细菌又利用这些营养物质维持自身繁殖生长。 由表 2 可知， 2、 3、 4 培养基中菌株代谢产生氨 基酸种类与含量明显比 1 多， 且不同矿物刺激与促进 菌株产氨基酸能力存在差异。在斜长石培养基中能代 谢产生15种氨基酸， 且整体含量高于其它3种培养基。 表2 不同发酵培养基中氨基酸含量 /μg/L 氨基酸类型 1 培养基2 培养基3 培养基4 培养基 7 d12 d7 d12 d7 d12 d7 d12 d 非 极 性 氨 基 酸 甘氨酸0.650 0.451 0.746 0.651 1.474 0.975 1.564 1.111 丙氨酸0.523 2.911 1.020 0.356 0.361 0.685 0.581 缬氨酸0.778 0.778 0.588 0.456 0.401 0.123 亮氨酸0.966 0.652 1.423 1.023 0.300 0.254 0.221 异亮氨酸0.263 1.423 0.422 0.2500.806 脯氨酸0.365 0.451 0.321 0.111 苯丙氨酸0.311 0.374 0.332 0.5410.124 0.245 极 性 氨 基 酸 酪氨酸0.3960.457 0.455 0.3320.215 蛋氨酸0.0980.177 0.111 0.0440.218 0.018 丝氨酸0.236 0.1900.225 0.024 半光氨酸2.456 天冬酰胺 0.0750.089 碱性 氨基 酸 赖氨酸0.856 0.105 1.0110.508 0.442 0.412 精氨酸0.844 0.112 1.0500.378 0.235 0.236 酸性 氨基 酸 天冬氨酸 1.1501.4561.5611.157 谷氨酸0.2561.2511.7551.123 2.2 细菌及代谢产物对硅酸盐矿物的分解效果 试 验菌株发酵产生的各代谢产物对石英、 斜长石、 高岭 石中硅、 铝溶出结果， 见图 1； 各矿物被代谢产物溶浸 15 d 后的表面微观形貌及结构变化， 见图 2图 7。 从图 1a 可看出， 浸出 15 d 后， 对矿物中硅、 铝溶 出效果最好的浸出方式为F， E、 D、 C、 B、 A、 CK次之， C、 D、 E 差异不明显。在含石英、 斜长石、 高岭石的培养基 中， E 浸出液中 SiO2分别达到 51.20、 39.74、 48.74 mg/L， 比 CK 提高 44.62、 34.54、 40.74 mg/L， 仅比 D 提高 9.84、 4.13、 3.13 mg/L， 浸出方式 C、 D 差异很小， 在 01 mg/L 之间； F浸出液中SiO2分别为61.45、 51.26、 50.48 mg/L。 从图 1b 可看出， 各浸出方式对铝溶出能力的变化规律 基本与硅一致， 溶出量明显较硅低。以上结果表明， 多 糖释硅效果比混合氨基酸与混合有机酸明显要好， 说 明多糖在细菌分解硅酸盐矿物过程中起主要作用； 各 代谢产物的复合物释硅能力略高于多糖， 表明各种代 谢产物在分解硅酸盐矿物过程中具有一定的协同作 用； 细菌对各矿物溶解作用较各代谢产物强， 表明细 菌对矿物的分解是一个复杂的生物物理与生物化学过 程， 是多种因素共同作用的结果。 从图 2a、 图 3a、 图 4a 可看出， 石英、 斜长石与高 岭石矿物颗粒表面光滑， 棱角分明， 凹凸不平状明显， 晶体结构完整； 从图 2b、 图 3b、 图 4b 可看出， 各矿物 被混合代谢产物作用后， 矿物颗粒表面凸起与棱角部 分被分裂成大量细小颗粒， 矿物晶体结构受到破坏， 分解出的细小颗粒仍保持了较完整的晶体形态； 从图 2c、 图 3c、 图 4c 可看出， 经活细菌溶蚀后矿物表面形 貌变化更明显， 表面原始结构被整体破坏， 凸起的棱 图1 不同浸出方式下含不同硅酸盐矿物培养基上清 液中SiO2 a与Al2O3 b浓度 CK 不接菌处理； A 混合氨基酸； B 混合有机酸； C 多糖； D BC； E ABC； F 硅酸盐细菌 图2 石英被代谢产物及细菌作用前后的表面形貌 a-原矿；b- 3种混合代谢产物；c- 活细菌 图3 斜长石被代谢产物及细菌作用前后的表面形貌 a-原矿；b- 3种混合代谢产物；c- 活细菌 图4 高岭石被代谢产物及细菌作用前后的表面形貌 a-原矿；b- 3种混合代谢产物；c- 活细菌 abc abc ab c ab - 4 - 第36卷第1期 非金属矿 2013年1月 角基本被溶蚀且更加模糊不清， 细小颗粒及非晶态物 质显著增多， 在细菌分泌的胞外大分子物质的交联作 用下， 颗粒相互粘连在一起而成絮状。 从图 5a、 图 6a、 图 7a 可看出， 各矿物晶体结构特 征峰明显， 斜长石与高岭石矿样中含有少量水铝石、 石英及针铁矿等杂质矿物； 从图 5b、 图 6b、 图 7b 可看 出， 经混合代谢产物作用后， 各矿物晶体结构特征锐 锋强度明显降低， 水铝石与石英特征峰有一定增强， 针铁矿特征峰明显下降； 从图5c、 图6c、 图7c可看出， 经细菌作用后， 各矿物晶体结构特征锐锋迅速降低或 消失， 斜长石与高岭石中水铝石与石英特征峰大幅增 强， 表明矿物晶体结构受到了一定程度破坏， 矿物形 态有向水铝石与石英转化的趋势， 并呈无定形物质特 点。对比图 5图7 可知， 硅酸盐细菌及代谢产物对 高岭石的风化分解作用效果比对石英与斜长石的好。 综上所述， 硅酸盐细菌产生的氨基酸、 有机酸与 胞外聚合物 （主要由蛋白质与多糖组成） 均对硅酸盐 矿物有一定溶蚀作用， 其中胞外聚合物对矿物溶解能 力最强。3 种代谢产物的混合物在对硅酸盐矿物的 溶蚀过程中有协同作用， 对矿物晶体结构具有显著破 坏作用， 但远不如硅酸盐细菌对矿物的溶蚀效果。在 富营养环境中， 微生物对不稳定的硅酸盐矿物分解能 力强， 矿物晶体结构稳定性依次为架状结构 层状结 构 链状结构 岛状结构。 3 结论 1. 在含硅酸盐矿物的培养基中， 菌株代谢产生代 谢产物的能力明显比不加矿物的强， 不同矿物刺激与 促进菌株产代谢产物的能力存在一定差异。 2. 随发酵培养时间延长， 各代谢产物浓度下降， 说 明菌种利用代谢产物作为自身生长繁殖的营养物质。 3. 浸出试验结果表明， 各代谢产物均对石英、 斜长 石、 高岭石有一定分解及释放硅、 铝的能力。与混合氨 基酸、 混合有机酸相比， 多糖对硅酸盐矿物风化作用最 明显， 3 种代谢产物在分解矿物过程中具有一定协同 作用。活细菌对各矿物溶解作用较各代谢产物强， 表 明细菌对矿物的风化分解作用是一个复杂的生物物理 与生物化学过程， 是多因素共同作用的结果。 4. 细菌及代谢产物对不同晶体结构硅酸盐矿物 的溶蚀程度存在一定差异， 层状结构高岭石较架状结 构石英与斜长石更易被细菌或代谢产物风化分解。 参考文献 [1] 周跃飞， 王汝成， 陆现彩 . 玄武岩微生物分解过程中矿物表面效应 [J]. 岩石矿物学杂志， 2008， 271 59-66. 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