钾矿物晶体结构对黑曲霉生长代谢及钾与硅的溶出影响.pdf

中国农业科学 2014,473503-513 Scientia Agricultura Sinica doi 10.3864/j.issn.0578-1752.2014.03.010 收稿日期2013-05-13；接受日期2013-12-18 基金项目国家自然科学基金项目（51264014、31360064） 联系方式孙德四，Tel15170295286；E-mailsundesi1215 钾矿物晶体结构对黑曲霉生长代谢及钾与硅的溶出影响 孙德四 1，尹健美1，陈 晔1，2，曹 飞1，2 （1九江学院化学与环境工程学院，江西九江 332005；2九江学院生命科学学院，江西九江 332005） 摘要 【目的】黑曲霉对钾矿物的分化分解及其中钾（硅）的溶出作用与其产酸及产胞外代谢产物（主要指 多糖与蛋白质）的能力密切相关，但研究矿物晶体结构在此过程中的地位与作用的较少。试验采用一株黑曲霉分 别与正长石与白云母进行浸出培养以了解不同钾矿物对黑曲霉生长代谢能力的影响，及黑曲霉对含钾硅酸盐矿物 的转化作用与其矿物晶体结构的相关性。【方法】 在分别含铝土矿、 正长石与白云母矿粉的平板固体与液体 Czapek’s 培养基中培养黑曲霉，并以不含矿粉的纯培养作为对照，观察其在不同矿物环境中的生长特征；采用摇瓶浸出考 察黑曲霉对钾矿物的分化分解及其中钾 （硅） 的溶出效果， 通过测定浸出液中的 pH 值、 多糖、 蛋白质及 K2O 与 SiO2 的浓度，及浸出前后矿物表面的 SEM 和 XRD 观察，对比分析正长石与白云母对黑曲霉生长代谢的促进作用及黑曲 霉对它们的转化作用的差异。 【结果】不同晶体结构的钾矿物对黑曲霉的生长代谢刺激与促进作用不同，与不含矿 粉及含钾极少的铝土矿粉培养基相比，黑曲霉在含钾矿粉培养基中的繁殖生长速度明显要快，在固体平板培养基 中表现出对钾矿粉的趋化性，在液体培养基中形成的菌体-矿物聚集体更显著，且与正长石相比，黑曲霉在固体平 板上的生长过程中对白云母的趋化性要明显，在液体培养环境中形成的菌体-矿物聚集体更显著。黑曲霉在缺钾培 养基与分别含正长石与白云母的培养基中培养 10 d，可分别代谢产生 1.45、1.97、2.45 gL -1的有机酸，5.11、 9.96、12.25 gL -1的多糖与 6.25、13.78、16.97 gL-1的蛋白质。浸矿 30 d，黑曲霉浸出白云母中 K 2O 与 SiO2的 量要比浸出正长石的分别高 79.10 与 57.78 mgL -1。黑曲霉作用前后的白云母与正长石矿粉的 SEM 与 XRD 的分析结 果表明，白云母较正长石的浸蚀程度更明显，矿物表面沉积了更多的非晶态或晶形不好的细小颗粒，在含少量正 长石的白云母矿物或含少量白云母的正长石矿物浸渣的 XRD 图谱中，反映白云母的主特征峰强度明显下降，且有 部分特征峰消失，而反映正长石的特征峰强度略有增强。 【结论】钾矿物晶体结构是影响黑曲霉生长所形成的菌体 -矿物聚集体、代谢产物、酸碱微环境的差异及钾矿物风化分解与钾（硅）溶出程度不同的重要原因；在缺有效钾 环境中，钾矿物对黑曲霉生长代谢具有促进作用，与正长石相比，白云母可以刺激与促进黑曲霉代谢产更多的有 机酸、多糖与蛋白质；多种矿物同时存在的情况下，黑曲霉对不同晶体结构的钾矿物的分解有一定的选择性，对 具层状结构的白云母较具架状结构的正长石的风化破坏作用要快。 关键词钾矿物；晶体结构；黑曲霉；代谢产物；生物浸出；钾；硅 Effect of Crystal Structures of Potassium-Bearing Minerals on Aspergillus niger Growth Metabolism and Potassium and Silicon Release SUN De-si1, YIN Jian-mei1, CHEN Ye1,2, CAO Fei1,2 1School of Chemistry and Environmental Engineering, Jiujiang University, Jiujiang 332005, Jiangxi; 2School of Life Science, Jiujiang University, Jiujiang 332005, Jiangxi Abstract 【Objective】Effects of Aspergillus niger on weathering of potassium-bearing minerals and leaching rates of 504 中 国 农 业 科 学 47 卷 potassium and silicon are closely related to the ability of producing acids and extracellular metabolites mainly including polysacchrides and proteins by it. Now little is known about the relationships between potassium or silicon leaching rate and mineral crystal structure, and about the relationships between mineral crystal structure and growth metabolism of fungi. A strain of A. niger was used to leach potassium and silicon, respectively, from orthoclase and muscovite. 【】 A strain of A. niger was cultivated in solid and liquid Czapek’s media containing bauxite, orthoclase and muscovite powders and free-mineral powder, respectively, in order to survey the growing characteristics of A. niger in different mineral environments. Bioleaching experiments of potassium-bearing minerals were carried out in shake flasks to investigate the effects of mineral weathering and extraction of potassium and silicon by the strain. By measuring the contents of polysaccharides, proteins, organic acids, K2O, SiO2 , and pH values in culture media, and by observing the change of mineral surfaces before and after bioleaching with X-ray diffraction and scanning electron microscope, the difference of A. niger’s growth and metabolism and ability of mineral bioleaching was analyzed, when A. niger was cultured in different media containing orthoclase and muscovite respectively. 【Result】 Potassium-bearing minerals with different crystal structures promoted A. niger’s growth and metabolism to different extents. The strain of A. niger reproduced and grew faster in media containing potassium-bearing minerals than in media containing free mineral and a small amount of potassium-bearing bauxite. A. niger cultivated in potassium-bearing solid media in growth process exhibited a more obvious chemotaxis of minerals than in free mineral and bauxite solid media, and more obvious in the muscovite medium than in the orthoclase medium. Meanwhile, A. niger’s mycelium-mineral aggregation was ed much more obviously in liquid media containing potassium-bearing minerals, especially containing muscovite powder, than in media containing free mineral and a small amount of potassium bearing bauxite. A. niger produced 1.45, 1.97, and 2.45 gL-1 of mixed organic acids, and 5.11, 9.96, and 12.25 gL-1 of polysaccharides, and 6.25, 13.78, and 16.97 gL-1 of proteins, respectively, after culturing for 10 days in potassium-free Czapek’s medium, orthoclase medium and muscovite medium. The contents of K2O and SiO2 released from muscovite were 79.10 and 57.78 mgL-1 higher than from orthoclase by A. niger. The SEM images and XRD patterns of muscovite and orthoclase powders before and after bioleaching showed that the surface of muscovite was etched much more obviously and ed much more amount of amorphous substance or imperfect crystal particles than that of orthoclase. The characteristic peaks reflecting muscovite were obviously weakened and some of them were faded away, but the characteristic peaks reflecting orthoclase were slightly enhanced in XRD patterns of muscovite containing a small amount of orthoclase or orthoclase containing a small amount of muscovite. 【Conclusion】 The difference of crystal structures of potassium-bearing minerals is one of important factors resulting in the difference of mycelium-mineral aggregation, metabolites and acidic microenvironment ed in the interaction between fungi and mineral, when A. niger is cultured in media containing different potassium-bearing minerals. And then, maybe, the difference is one of the key factors interfering with A. niger’s mineral weathering ability and extraction of potassium or silicon. Potassium-bearing minerals can excite and promote A. niger’s growth and metabolism in media containing free available potassium. Muscovite can promote A. niger to produce much more amount of organic acids, polysaccharides and proteins in comparison with orthoclase. A. niger can selectively decompose different minerals according to the stability of the mineral crystal structure in the bioleaching system containing mixed minerals. A. niger can give preference to weather muscovite, when orthoclase with framework structure and muscovite with stratified structure coexist in a same leaching system. Key words potassium mineral; crystal structure; Aspergillus niger; metabolite; bioleaching; potassium; silicon 0 引言 【研究意义】钾是促进农作物生长及影响其产量 与品质的一个重要营养元素。耕层土壤作为一个天然 钾库，蕴藏着丰富的钾资源，但 90以上是水难溶性 或不溶性的，不能直接被植物吸收利用[1-2]。据报道， 中国钾肥生产量只占世界的 0.34，除青海、新疆外， 几乎没有具规模的生产基地，而消耗量占世界的 14.7，可见中国的活性钾非常短缺，主要依赖进口。 硅也是植物生长的重要元素，它能够通过强化植物细 胞壁、激活防卫机制以适应各种非生物因子的胁迫， 从而提高植物的抗逆性。如施用硅肥可以增强水稻抗 倒伏能力及其对病虫害的抵抗能力，改善株型，提高 光能利用率，并有增产和改善品质的作用。随着人们 对硅在农作物生长中所起重要作用的认识，在许多国 家，硅肥生产量及使用量按每年 2030的幅度增 加[3-4]。硅是地壳表面的第二大元素，但与天然钾资源 一样， 绝大部分是赋存于水溶性极低的硅酸盐矿物中， 为非活性硅，不能直接被农作物所吸收利用。目前， 国内外主要采用高能耗、 高污染的物理化学方法从含钾 矿物中提取钾。 鲜见有关使用微生物技术提取钾的试验 研究或工业应用的相关报道， 更鲜见有关利用微生物从 3 期 孙德四等钾矿物晶体结构对黑曲霉生长代谢及钾与硅的溶出影响 505 硅酸盐矿物中提取活性硅的报道。与传统物理与化学 工艺相比，生物浸出具有工艺简单、成本低、环境友 好及除杂选择性好等优点[5-6]。因此，开发环境友好的 含钾矿物的生物提钾、溶硅技术对发展生态与经济农 业具有十分重要的意义。硅酸盐矿物的微生物风化分 解过程是一个复杂生物物理与化学过程，矿物的微生 物转化、次生矿物的形成与其中离子的释放是多种因 素协同作用的结果。因此，对微生物转化矿物钾与硅 的作用机理研究是改进生物转化工艺和提高转化效率 的重要依据。【前人研究进展】通过对比已报道的含 钾硅酸盐矿物微生物风化的试验结果可知，有较好的 矿物风化分解能力且对 K、Si、Al 具有一定溶出效果 的微生物均为异养菌（主要是细菌及真菌）。细菌中 的胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）与环状芽孢 杆菌（B. circulans，又称“钾”细菌或硅酸盐细菌） 对硅酸盐矿物的分解能力最强；真菌中的菌根真菌 （Piloderma sp.）、岩生真菌（rock-eating fungi）及黑 曲霉（Aspergillus niger）等对不溶性钾、硅、铝具有 较好的活化作用。其中，黑曲霉对钾矿物的溶蚀能力 较其他菌种要强，且具有较高的钾释放效率[7-14]。以 上微生物主要用于制备微生物菌肥，较少有关利用它 们从矿物中提取活性钾与硅的研究报道。目前已有大 量有关硅酸盐矿物微生物风化机理研究报道。如不同 来源异养菌之所以对矿物的分解能力不同，是由于它 们的生长代谢差异所致，特定的硅酸盐矿物可以刺激 与促进“硅酸盐类”细菌或真菌的生长代谢能力，如 在含钾矿物培养基中，黑曲霉产多糖、蛋白质及小分 子有机酸量明显较在纯培养基中的高[12-14]；微生物主 要通过有机酸的酸解、胞外聚合物的络解、生物膜及 氧化还原等多种因素的协同作用方式风化分解硅酸盐 矿物[15-16]；微生物代谢产酸、产胞外聚合物及氧化还 原酶（蛋白质）的能力大小是影响其对矿物分解效果 的关键因素[14,17-20]；在多种矿物同时存在的情况下， 微生物对不同结构矿物的破坏具有一定的选择性[21]。 此外，硅酸盐矿物的风化分解过程包含微生物的直接 黏附作用和微生物代谢物溶蚀的间接作用两部分。直 接作用机制指微生物与硅酸盐矿物直接接触时，在细 胞-矿物界面形成特殊的微环境（如特殊的 pH 值、代 谢物浓度等），通过质子交换、配体络合及真菌菌丝 的机械破坏作用影响矿物的风化；间接作用机制是指 微生物不与矿物接触时对矿物风化的影响，主要指小 分子有机酸通过质子交换作用溶蚀矿物[22-26]。【本研 究切入点】目前鲜见有关不同结构钾矿物对细菌或真 菌的生长及分泌代谢产物的影响报道，也无有关对比 分析不同晶体结构钾矿物的微生物浸出效果的相关研 究报道。【拟解决的关键问题】本文以黑曲霉为试验 菌种，通过菌种与矿物的相互作用的表观形态观察及 检测发酵液与菌体-矿物聚集体微环境中的 pH 值、多 糖与蛋白质浓度，对比分析两种典型晶体结构的钾矿 物（正长石与白云母）对黑曲霉生长及代谢能力的影 响；通过摇瓶浸出试验及矿物表面分析，对比分析黑 曲霉对正长石与白云母的风化分解及对它们中钾、硅 溶出能力的差异。 1 材料与方法 1.1 材料 供试菌种黑曲霉（CGMCC 3.0316）于 2011 年 10 月购自中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生 物中心。 供试矿样含钾矿物正长石与白云母于 2010 年 11 月购自浙江大学地质标本厂，采用 XRD 分析其主 要矿物组成，通过原子吸收分光光度法分析其主要化 学成分。正长石的主要矿物组成为正长石 82.24， 斜长石 7.26，白云母 5.12，石英 3.29；主要化 学组成为 K2O 11.09， Al2O3 19.25， SiO2 66.57。 白云母的主要矿物组成为白云母 87.21，正长石 5.28，石英 4.87；主要化学组成为K2O 9.09， Al2O3 38.55，SiO2 46.46，H2O 4.90。试验使用 的缺钾矿物为河南铝土矿，其主要矿物组成为水 铝石 64.6，高岭石 16.50，伊利石 2.1，石英 1.63， 铁矿物 2.40， 方解石 2.50， 绿泥石 2.50， 橄榄石 1.9；主要化学成分组成为Al2O3 65.00， SiO2 12.58， Fe2O3 2.53， TiO2 1.09， K2O 0.09， CaO 1.55，MgO 0.13，Na2O 1.17。矿样粉粹过 200 目筛。 1.2 方法 试验和相关样品检测在九江学院生命科学学院 微生物实验室和九江学院分析测试中心完成，菌种试 验时间为 2012 年 2 月 23 日至 4 月 25 日， 黑曲霉作用 后的 SEM 和 XRD 测定最终于 2012 年 11 月完成。 1.2.1 菌种的培养与种子液的制备 参照 Czapek’s 培养基组分，去除其中的含钾成分作为基础培养液， 即用 Na2HPO4 替代其中的 K2HPO4。在 250 mL 锥型 瓶中装入灭菌后的 100 mL 基础培养液，接入 1 环黑 曲霉，在 28℃与 150 r/min 的条件下震荡培养 1 d 后 的菌液即为浸矿试验的种子液。 506 中 国 农 业 科 学 47 卷 1.2.2 菌种对含钾矿物的作用观察 固体培养基中 黑曲霉对含钾矿粉的趋化性与生长特征观察在基础 培养液中加入琼脂（20 gL-1），灭菌后制成 A、B、C、 D 4 组平板固体培养基，在 B、C、D 3 组平板的左上 角或右上角分别散入少量的铝土矿粉、钾长石矿粉与 白云母矿粉，于各平板中心接入 1 环黑曲霉，置 28℃ 分别培养 3 d 与 6 d 进行观察。 液体培养基中黑曲霉对含钾矿粉的作用特征观 察在 250 mL 锥形瓶中装入 100 mL 基础培养液，同 样分成 A、B、C、D 4 组，在后 3 组中分别加入 5 g 铝土矿粉、5 g 钾长石矿粉与 5 g 白云母矿粉，然后接 入 10 mL 黑曲霉种子液，在 28℃与 150 r/min 的条件 下震荡培养 6 d。 1.2.3 菌种代谢产物分析 在不含钾矿粉与含钾矿 粉的液体震荡培养条件下，测定了发酵液与菌丝球微 环境中的 pH 值及各代谢产物。 发酵液与菌丝球微环境中 pH 值按照液体培养 基中黑曲霉对含钾矿粉的作用特征观察 （1.2.2） 的 A、 C、D 3 组连续培养 30 d，每隔 5 d 分别取上清液用以 测定发酵液中的 pH 值；收集各组菌丝球，用超声波 破 粹 机 破 碎 后 ， 于 冷 冻 高 速 离 心 机 离 心 分 离 （7155g,20 min），过滤取压出液用以检测菌丝球 微环境中的 pH 值。pH 值用 PHS-3C 型 pH 计（上海 雷磁仪器厂）测定。 发酵液与菌丝球微环境中的多糖 按照上述方法， 取 A、C、D 3 组培养 10 d 后的发酵液与菌丝球压出 液进行多糖浓度的测定。 用 UV-2102 紫外可见分光光 度计，苯酚-硫酸法测定多糖浓度。 发酵液与微环境中的蛋白质 用UV-2102 紫外可见 分光光度计，考马斯亮蓝G250 染色法测定蛋白质浓度。 小分子有机酸的测定按照以上方法，获得发酵 液与菌丝球压出液，参照文献[14]的方法测定各有机 酸浓度。 1.2.4 菌种对含钾矿物中钾与硅的溶出作用 黑曲 霉对钾长石与白云母中钾、硅的溶出试验均在 250 mL 锥形瓶中进行。瓶内分别装入100 mL 灭菌的 Czapek’s 基础培养液和5 g 含钾矿粉（钾长石或白云母），接入 10 mL 黑曲霉种子液，置摇床（28℃，150 r/min）培养。 并设无菌对照组，即不接菌的条件下浸出含钾矿物，其 他条件同有菌试验组。以上各组浸出试验均设3 个平行 组。分别在5、10、15、20、25、30 d 取上清液，测定 其中的K与Si4 浓度，并以K2O 与SiO2 进行计量。钾 与硅离子浓度采用原子吸收分光光度计（370MC，上海 分析仪器厂）测定。浸出结束后，用 SEM（TESCAN 公司，型号为 VEGIILSU）与 XRD（日本 Rigaku 生产 的D/Max-2500 型X 射线衍射仪）观察黑曲霉作用前后 的含钾矿物的表面微观形态及矿物组成变化。 2 结果 2.1 黑曲霉与不同含钾矿物相互作用的表观特征 黑曲霉在平板上的生长对钾矿粉作用的表观特征 见图 1。结果表明，黑曲霉在含钾矿粉平板上的繁殖 生长速度明显要比在不含钾矿粉平板上的快，并在生 长过程中表现出对钾矿粉的趋化性。图 1 显示，在含 白云母的平板上，随着培养时间的延长（第 3 天后）， 黑曲霉对白云母矿粉的趋化性最为明显， 生长最迅速， 菌落呈褐黑色，丝绒状。比较图 D3与 D6，虽然在平 板中心接入黑曲霉菌，但是黑曲霉趋于顺着平板上方 撒有白云母矿粉的方向生长，并把矿粉包裹起来，形 成了黑曲霉-矿物聚集体。 与缺钾环境 （图 1-A， 对照） 及含钾极少的铝土矿环境（图 1-B）相比，正长石矿 粉对黑曲霉的生长也具有明显的促进作用，其平板上 形成的菌落明显要大且多，黑曲霉在生长繁殖过程中 对正长石矿粉同样表现出显著的趋化性。 图 2 表示在缺钾及含不同钾矿物的液体培养条件 下黑曲霉的生长特征。结果显示，震荡培养条件下， 在不含任何钾素资源的纯液体培养基中黑曲霉的生长 速度最为缓慢（图 2-A），发酵液中形成的菌丝生物 量最少，液体清澈透明，菌丝球呈淡黄色；在含铝土 矿的液体培养基中（图 2-B），发酵液中的菌丝生物 量略高于纯培养液中的菌丝生物量，液体浑浊，菌丝 球呈浅褐红色，瓶低沉积有大量的铝土矿粉，表明菌 丝球包裹与吸附铝土矿粉量较少， 形成的黑曲霉-矿物 聚集体不明显， 但培养过程中黑曲霉可能释放了铝土矿 粉中少量的钾与铁，从而导致液体及菌丝球呈浅褐红 色； 而在含正长石与白云母的液体培养基中， 发酵液中 的菌丝生物量显著增多（与图 2-A、2-B 比较），大量 的矿粉颗粒被吸附、包裹进菌丝球中，形成黑曲霉-矿 物聚集体，且聚集体颗粒较粗大，表面呈红色（与图 2-A、2-B 比较），而发酵液澄清，瓶底无残留钾矿粉。 2.2 不同钾矿物环境中黑曲霉的代谢特性 2.2.1 发酵液与微环境中的 pH 值 笔者前期探索性 研究表明，在基础培养液中，试验所用的黑曲霉菌种 具有较强的产酸能力，震荡培养 2 d，发酵液中的 pH 值便下降到 4 以下，在 5 d 到达最低值 2.5 左右，随 着培养时间的延长，发酵液中的 pH 值又略有上升。 3 期 孙德四等钾矿物晶体结构对黑曲霉生长代谢及钾与硅的溶出影响 507 A3D3、A6D6 为 AD 在第 3 天与第 6 天时黑曲霉的生长情况 A3-D3, A6-D6 exhibit A. niger growth in the 3rd and 6th days, respectively 图 1 不同含钾矿物固体平板中黑曲霉的生长表观特征 Fig. 1 Apparent characteristics of A. niger growth at different K-mineral conditions on the plate medium ABCD A、B、C、D 分别为不含矿粉与含铝土矿、正长石、白云母的 Czapek’s 培养基。图 4 同 A, B, C, D are Czapek’s media containing no mineral powder and containing bauxite, orthoclase and muscovite, respectively. The same as Fig. 4 图 2 在不同液体培养基中黑曲霉生长的表观特征 Fig. 2 Apparent characteristics of A. niger growth in different liquid media 本研究为了对比分析不同含钾矿物对黑曲霉产酸能力 的影响，分别检测了黑曲霉作用正长石与白云母矿粉 所形成聚集体的微环境、发酵液中的酸碱度，并与未 作用钾矿物的黑曲霉作比较，结果见图 3。 图 3 结果表明，无论是在缺钾的液体培养基还是 在投加钾矿粉的液体培养基中，在整个培养过程中发 酵液与微环境中的pH值均比初始培养液的pH值低 （3 组液体培养基的初始 pH 值为 7.0） ， 说明黑曲霉产酸， 但随着发酵培养时间的延长， pH 值略有上升。 对比图 3 中（a）、（b）、（c）3 组试验，投加白云母的培 养液与微环境的酸性最弱，不含钾矿粉的纯基础培养 液与微环境的酸性最强，但 3 组试验均表现出菌丝球 微环境中的酸性要比发酵液中的酸性稍弱。 但在 （a） 、 （b）、 （c）3 组试验中，测定所得的主要有机酸（草 酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、乙酸、丙酸，未检测 微量的小分子有机酸）总含量分别为 1.45、1.97、2.45 gL-1，这与它们所对应发酵液与微环境中的 pH 值所 反映出的酸度刚好相反。 2.2.2 发酵液与微环境中的多糖与蛋白质 A 组培 养得到的是不含矿粉的发酵液及单一黑曲霉菌丝球， B、C、D 组培养得到的是分别含铝土矿、正长石、白 云母矿粉的发酵液与黑曲霉-矿物聚集体， 测定了以上 4 组发酵液与微环境中多糖与蛋白质的浓度（图 4）。 结果表明，A、B、C、D 4 组试验中，总多糖含量分 508 中 国 农 业 科 学 47 卷 2 1 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 51015202530 发酵时间 Fermentation time d a 2 1 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 51015202530 b 2 1 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 51015202530 c a，b，c 分别为不含矿物和含正长石与白云母的试验组。1微环境中的 pH 值；2发酵液中的 pH 值 a, b and c are groups containing no mineral, containing orthoclase and muscovite, respectively. 1 pH values in micro-environments; 2 pH values in fermentation broths 图 3 黑曲霉发酵液与微环境中的 pH 值 Fig. 3 pH values in micro-environment and fermentation broth of A. niger a a a a a a b b 0 5 10 15 20 ABCD 发酵液多糖 Polysaccharides in fermentation broth 微环境多糖 Polysaccharides in microenvironment a a a a b b b b b 0 5 10 15 20 25 30 ABCD 发酵液蛋白质 Proteins in fermentation broth 微环境蛋白质 Proteins in microenvironment a 不同小写字母表示差异显著（P0.05） Different small letter indicated significant difference P 0.05 图 4 黑曲霉发酵液与微环境中的多糖（a）与蛋白质浓度（b） Fig. 4 Polysaccharide and protein concentrations in micro-environment and fermentation broth of A. niger 别为 5.11、5.24、9.96、12.25 gL-1，总蛋白质含量分 别为 6.25、7.28、13.78、16.97 gL-1。在未与钾矿粉作 用及与铝土矿作用后的黑曲霉菌丝球与发酵液中的多 糖与蛋白质浓度差异较小，而分别与正长石与白云母 矿粉作用后的黑曲霉所形成的聚集体，微环境多糖浓 度分别是发酵液的 2.55 与 3.16 倍， 微环境蛋白质浓度 分别是发酵液的 4.55 与 7.33 倍。 2.3 不同钾矿物浸出液中 K 与 Si 的含量 选用具典型架状结构的正长石（钾长石）与典型 层状结构的白云母，利用黑曲霉浸出其中的 K 与 Si， 旨在考察矿物晶体结构对黑曲霉解钾、溶硅效果的影 响，测定结果见图 5。 图 5 结果显示，无菌白云母组浸出液中 K2O（或 SiO2）浓度略高于无菌正长石组，到第 30 天浸出结 束，浸出液中 K2O 的浓度分别为 9.50、7.20 mgL-1， SiO2 的浓度分别为 6.90、5.00 mgL-1，表明无菌浸出 液中的水分子与无机盐离子能一定程度的破坏钾矿物 的晶格，缓慢释放其中的离子，且白云母的水溶性要 略高于正长石，但整体上水和无机盐对钾矿物的风化 作用十分微弱。而有菌组浸出试验结果表明，黑曲霉 能显著提高钾矿物的溶蚀与转化速率，促进其中不溶 性的 K、Si 元素的释放；与正长石相比，黑曲霉对白 云母的破坏与转化作用更加明显，释放其中 K、Si 元 素的速度更快，连续浸出 30 d 后，白云母组、正长石 组浸出液中 K2O 浓度分别为 229.25、150.16 mgL-1， SiO2 浓度分别 538.34、480.56 mgL-1。 2.4 浸出前后不同钾矿物的表面分析 为进一步验证黑曲霉对不同晶体结构钾矿物的溶 蚀作用差异， 对浸出前后的正长石与白云母矿粉颗粒进 行电镜扫描观察与 XRD 分析， 结果分别见图 6 与图 7。 3 期 孙德四等钾矿物晶体结构对黑曲霉生长代谢及钾与硅的溶出影响 509 图 6-A（a）与 B（a）结果显示，白云母与正长 石原矿样的表面光滑，棱角分明，晶体结构完整。无 菌培养液中的水分子与无机盐离子对白云母与正长石 有一定的风化作用，被浸矿物颗粒表面棱角变模糊， 有大量细微的溶蚀痕迹，对比图 6-A（b）与 B（b）， 无菌培养液对白云母的溶蚀作用稍强。而被黑曲霉作 用后的白云母与正长石，矿物颗粒表面被深度浸蚀， 白云母矿物颗粒的晶体结构基本被破坏，大量晶形不 完整或非晶态物质在胞外多聚物的作用下相互黏接在 一起，并沉积到原有矿物表面（图 6-A（c））；正长 石的浸蚀程度比白云母的稍弱，其原有晶体结构仍保 持一个整体，但矿物表面同样沉积有大量的非晶态或 晶形不好的细小颗粒（图 6-B（c））。 图 7-A 结果表明， 原矿白云母未经黑曲霉作用时， 其 XRD 谱线中白云母特征峰明显且强度大，同时还 含有正长石与石英的特征峰，但衍射吸收峰强度明显 a 0 50 100 150 200 250 300 5101520