胶质芽孢杆菌在矿物溶解与结晶过程中的作用.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明 1 、坚持以“求实、创新“ 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名 l 虱重量 日期 知J 口、{ ．7 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入 学’校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索； 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 ． 作者签名 日期 旧亏磕 y } o 、5 ．≯ 南京师范大学学位论文胶质芽孢杆菌在矿物溶 摘要 f l I I f [ [ Il i t I l lI I II III Il ＼17 2 6 4 2 2 本文研究了胶质芽孢杆菌 B a c i l l u sm u c i l a g i n o s u s 及其胞外分泌物与矿物分解 和形成之间的关系，并尝试将该菌初步应用于饲料添加剂领域。 无氮条件下培养的胶质芽孢杆菌具有肥厚的荚膜，作为该菌的重要附属物，荚 膜与胶质芽孢杆菌的许多有益特性有着密切联系，并且使培养液具有一定的黏性。 向培养液中缓缓添加含有C a 寸的溶液后，原本透明的培养液中出现大量白色絮状沉 淀，经检测发现溶液中钙元素明显减少，这说明胶质芽孢杆菌具有明显的吸附阳离 子的能力，并且可以作为絮凝剂应用于污水处理等领域。 采用无氮培养基培养胶质芽孢杆菌至稳定期，将从中提取的胞外粗多糖冻干称重 后溶解，加入矿粉，再次提取粗多糖，以证实其与矿粉之间的相互吸附现象。在含有 不同矿粉 钾长石、磷灰石和碳酸钙 的无氮培养基中培养该菌，对比不同矿粉存在 时该菌产荚膜多糖和胞外蛋白含量的差别，发现矿物种类对胶质芽孢杆菌多糖的分泌 有显著影响，添加了含有细菌所需矿物质的矿粉培养液，胞外多糖含量相对较多，这 说明细菌分泌胞外多糖受到矿物化学组成的影响，即细菌胞外多糖的产生与该菌对矿 物养料的需求以及矿物的风化过程有密切联系。 分别在无氮和有氮培养基中培养胶质芽孢杆菌，研究不同培养基对胶质芽孢杆菌 形态、数量和碳酸酐酶 C A 酶 活性的影响。分别收集两种培养条件下获得的菌体、 培养液上清液及胞外多糖，添加至碳酸钙结晶形成体系中，探讨这些菌体培养物与碳 酸钙晶体生成之间的联系。得知细菌及其胞外多糖以及C A 都参与到碳酸钙晶体的形成 与生长过程中，最终影响碳酸钙晶体的生成与形貌。 初步优化培养基碳、氮源，选用蔗糖作碳源、大豆粉作氮源的培养基，将细菌培 养物按不同比例添加至饲料中，统计动物生长情况和产量等指标。发现被测动物绝大 多数指标得到好转，产蛋量、增重等均有提高。这可能是因为该菌在生长繁殖过程中 产生的多糖、蛋白质以及氨基酸等营养物质可作为营养因子提供给动物。而活菌还可 能通过产生抗菌物质、竞争附着部位，抑制病原微生物的增殖，作为动物消化道内的 有益菌群，起到增强动物免疫力的作用。 深入研究胶质芽孢杆菌分解硅酸盐矿物的作用和生物成矿作用机制对于拓展该 菌的研究与应用范围，进一步了解微生物风化及细菌诱导矿化的过程和机理具有十分 重要的学术价值。 关键词胶质芽孢杆菌；胞外多糖；风化；生物成矿饲料添加剂 南京师范大学学位论文胶质芽孢杆菌在矿物溶解与结晶过程中的作用 A b s t r a c t T h i sp a p e rp r e s e n t sas t u d yo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb a c t e r i aa n dt h e i r e x t m c e l l u l a rs e c r e t i o no fB a c i l l u sm u c i l a g i n o s u sa n dt h ed e c o m p o s i t i o na n df o r m a t i o no f m i n e r a l s ．T r yt ou s et h eb a c t e r i ai nt h ef i e l do ff e e da d d i t i v e sf o ri n i t i a la p p l i c a t i o n ． U n d e rN f r e ec o n d i t i o n , t h eB a c i l l u sf o r m a t i o nv e r yh y p e r t r o p h yc a p s u l a r ．A sa k e y a d j u n c ts n u c t u r ef o rt h eb a c t e r i a , t h ec a p s u l a rp o l y s a c c h a r i d e sa r er e l a t e dt ot h es t r a i n ’S m a n yb e n e f i c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc a u s et h em e d i u mv i s c o u s ．W h e na d d i n gC E s l o w y , t h et r a n s p a r e n tm e d i u ma p p e a r sag r e a td e a lo fw h i t ef l o c c u l e n tp r e c i p i t a t e ．A f t e r d e t e c t i o n ，w ef o u n d t h a tt h ec a l c i u mc o n t e n ti ns o l u t i o no b v i o u s l yd e c r e a s e d ．T h i ss h o w s t h a tb a c i l l u sh a so b v i o u sc a p a c i t yo fc a t i o na d s o r p t i o n , a n dc a r lb ea p p l i e dt oa r e a ss u c h a ss e w a g et r e a t m e n ta sf l o c c u l a n t ． C u l t u r e db a c i l l u st os t a b l e p h a s e i nN - f r e em e d i u m ，e x t r a c t e de x t r a c e l l u l a r p o l y s a c c h a r i d e ，l y o p h i l i z e di ta n dt h e nd i s s o l v e di nw a t e r ．E x t r a c tc r u d ep o l y s a c c h a r i d e a g a i na f t e ra d d i n gm i n e r a lp o w d e r s ，t oc o n f n mt h et h ea d s o r p t i o nb e t w e e nm i n e r a la n d p o l y s a c c h a r i d e s ．C u l t u r et h eb a c t e r i ai nN f r e em e d i u m 、航协d i f f e r e n tm i n e r a lp o w d e r 0 0 t a S s i u 】nm i n e r a lp o w d e r ，p h o s p h p r i t ea n dc a l c i u m a d d e d 缸a n dt h e nc o m p a r et h e d i f f e r e n c eo ft h ec a p s u l a rp o l y s a c c h a r i d ea n de x p r o t e i nc o n t e n tp r o d u c e db yt h i sb a c i l l u s w i mt h ee x i s t e no fv a r i o u sm i n e r a lp o w d e r ．I ti sf o u n dt h a tt h eV a r i e 够o fm i n e r a lp o w d e r h a sag r e a te f f e c to nt h ee x u d a t i o no fB a c i l l u sm u c i l a g i n o s u s sp o l y s a c c h a r i d e ．A f t e r a d d i n gm i n e r a ln u t r i e n tf l u i dc o n t a i n i n gm i n e r a lr e q u i r e db yb a c i l l u s ，t h ec o n t e n to f p o l y s a c c h a r i d ei sr e l a t i v e l ym a n i f o l d ．T h i sp h e n o m e n o ns h o w st h a tt h ee x u d a t i o no f b a c i l l u s ’sp o l y s a c c h a r i d ei sa f f e c t e db yt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm i n e r a l ，a n di t m e a n st h a tt h ep r o d u c t i o no fb a c i l l u s ’Se x p o l y s a c c h a r i d eh a v eac l o s e l yr e l a t i o nt ot h e r e q u i r e m e n to fm i n e r a lf o o da n d t h ew e a t h e r i n go fm i n e r a l ． C u l t i v a t eB a c i l l u sm u c i l a g i n o s u si nt h eN f r e ea n dN c o n t a i n e dm e d i u ms e p a r a t e l y , t h e ns t u d yt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tm e d i u mo nt h em o d a l i t ya n dq u a n t i t yo fB a c i l l u s m u c i l a g i n o s u sa n dc a r b o n i ca n h y d r a s ea c t i v i t y ．C o l l e c tt h eb a c t e r i a l ，l i q u i ds u p e m a t a n t a n de x p o l y s a c c h a r i d es e p a r a t e l yu n d e rt h et w od i f f e r e n tc u l t u r ec o n d i t i o n , t h e na d d t h e mt oc r y s t a l l i z e dc a l c i u mc a r b o n a t ef o r m i n gs y s t e m s ．A f t e rd i s c u s s i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nb a c i l l u sc u l t u r ea n dt h ef o r mo fc r y s t a l l i z e dc a l c i u mc a r b o n a t e ，w ec a nc o n c l u d e t h a tt h eb a c i l l u s ，e x p o l y s a c c h a r i d ea n dc a r b o n i ca n h y d r a s ea r ea l lc o n c e m e d 丽mt h e f o r m i n gp r o c e s so fc r y s t a l l i z e dc a l c i u mc a r b o n a t e ，f i n a l l y , t h e yc a na f f e c tt h ec r e a t i o n a n ds h a p eo fc r y s t a l l i z e dc a l c i u mc a r b o n a t e ． I n i t i a lo p t i m i z a t i o nc a r b o na n dn i t r o g e ns o u r c eo ft h em e d i u m ，a n dc h o o s es u c r o s e Ⅱ 一一一⋯一一 a sc a r b o ns o u r c ea n ds o y b e a nm e a la sn i t r o g e ns o u r c ei nm e d i u m ．A d d 也eb a c t e r i a l c u l t u r et oa n i m a lf e e da c c o r d i n gt od i f f e r e n ti 3 e o p o r t i o n s ，a n dt h e nc a l c u l a t ea l la I 血l a l p h y s i o l o g i c a l ．W ef o u n dt h a tm o s ti n d i c a t o r so ft h e s ea n i m a l sw e r ei m p r o v e d ，s u c ha s e g gp r o d u c t i o n , w e i g h tg a i n , e r e ．T h i sm a yb eb e c a u s et h e s t r a i n p r o d u c e d p o l y s a c c h a r i d e ，p r o t e i na n da n l i n oa c i d sa n do t h e rn u t r i e n t si nt h ep r o c e s so fg r o w t ha n d r e p r o d u c t i o n , a n dt h e s ec a nb ep r o v i d e dt ot h ea n i m a l sa Sn u t r i t i o n a lf a c t o r s ．加1 d 也e f u n g u sm a ya l s op r o d u c ea n t i m i c r o b i a ls u b s t a n c e s b yc o m p e t i t i v ea 曲e s i o ns i t e s ． i n h i b i t e d t h ep r o l i f e r a t i o no fp a t h o g e n i cm i c r o o r g a n i s m s ，a st h e b e n e f i c a lb a c t e r i ai n a n i m a ld i g e s t i v et r a c t ，p l a yar o l ei ne n h a n c i n ga n i m a li m m u n i t y ． C u r r e n t l y , t h er e s e a r c ho nB a c i l l u sm u c i l a g i n o s u sd e c o m p o s i t i o no fs i l i c a t em 缸e r a l s i sa ta ni n i t i a ls t a g e ，t h eb i o m i n e r a l i z a t i o no ft h eb a c i l l u si sav e r yw e a kf i e l do fs t u d v ． T h e r e f o r e ，f o rt h ee x p a n s i o no ft h eb a c i l l u s ’s t u d ys c o p e ，ab e t t e r u n d e r s t a n d i n go f b i o l o g i c a lw e a t h e r i n ga n db a c t e r i a li n d u c e dm i n e r a l i z a t i o np r o c e s sa n dt h em e c h a l l i s m a n dt h ea p p l i a n c eo fb a c t e r i ai nt h ep r o d u c t i o n , d e p t hr e s e a r c hi nt h i sa r e ao fw o r k i so f g r e a ta c a d e m i cv a l u e ． K e yw o r d s B a c i l l u sm u c i l a g i n o u s ；c a p s u l a rp o l y s a c c h a r i d e s ；w e a t h e r i n g ； b i o m i n e r a l i z a t i o n ；f e e da d d i t i v e s I I I 南京师范大学学位论文 胶质芽孢杆菌在矿物溶解与结晶过程中的作用 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯II 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 微生物与矿物．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 微生物与矿物间的相互作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．1 1 ．1 ．2 微生物胞外分泌物在矿物溶解和结晶过程中的作用．⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 胶质芽孢杆菌及其胞外分泌物与矿物的相互作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．1 胶质芽孢杆菌的分类地位及形态学特征．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 胶质芽孢杆菌及其分泌物与矿物的相互作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 胶质芽孢杆菌在生产实践中的应用⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 立题背景、研究目标及主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．4 ．1 立题背景与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．4 ．2 研究内容及研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 第2 章胶质芽孢杆菌胞外多糖对阳离子的吸附及其在矿物分解转化中的作用⋯1 1 2 ．1 胶质芽孢杆菌胞外多糖对阳离子的吸附⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．” 2 ．1 ．1 材料与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯1 1 2 ．1 ．2 结果与分析⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．12 2 ．1 ．3 讨论．⋯⋯．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 。2 胶质芽孢杆菌胞外多糖在肥料矿物分解转化中的作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．1 材料与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 2 ．2 ．2 结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14 2 ．2 ．3 讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 第3 章胶质芽孢杆菌及其胞外分泌物与碳酸钙结晶的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．1 无氮和有氮培养条件下的胶质芽孢杆菌及其产碳酸酐酶 C A 酶活的测定．19 3 ．1 ．1 材料与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 ．1 ．2 结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．3 讨论⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 胶质芽孢杆菌与碳酸钙晶体的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 ．1 材料与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．2 结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．3 讨论⋯．．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．3 胶质芽孢杆菌胞外分泌物对碳酸钙结晶的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 ．1 材料与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．2 结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．3 讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．⋯．．．⋯2 9 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 南京师范大学学位论文 胶质芽孢杆菌在矿物溶解与结晶过程中的作用 第4 章胶质芽孢杆菌在饲料添加剂等方面的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 材料与方法⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 第5 章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．1 主要研究结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．2 本文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 致谢．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 附录．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯5 4 南京师范大学学位论文 胶质芽孢杆菌在矿物溶解与结晶过程中的作用 第1 章绪论 本章综述了微生物及其胞外分泌物与矿物相互作用的关系，介绍了目前微生物 风化矿物和生物成矿机制的研究进展，以及目前胶质芽孢杆菌在生产实践中的应用 情况，阐述了本课题的研究意义、研究内容、研究方法与技术路线。 1 ．1 微生物与矿物 1 ．1 ．1 微生物与矿物间的相互作用 微生物与矿物间的相互作用是一种广泛发生的生物地质作用，能直接引起矿物的 溶解和沉淀，对环境产生重要影响。微生物的生长繁殖及其代谢作用不仅能引起矿物 元素运移和富集，其机体和生命活动还可通过吸附和吸收成矿元素而在一定条件下产 生沉淀和聚集成矿 阎葆瑞等，2 0 0 0 。微生物对矿物的风化作用主要是指微生物的 生长繁殖及其代谢产物使矿物中一部分物质溶解淋失，另一部分物质残留，矿物的组 分和含量不断发生变化。而生物矿化过程则是生命参与并通过细胞、有机分子调节无 机矿物沉积的高度控制过程，细胞表面及其分泌的胞外聚合物是离子浓缩、聚合和晶 体生长的重要场所，为生物矿化作用提供模板。生物成矿有两个途径一是微生物诱 导成矿，即微生物分泌代谢产物导致矿物颗粒沉积，另一个叫微生物控制成矿，指的 是微生物在控制矿物成核和生长上起到显著作用 Y i l i a n gL ie ta l ，2 0 0 5 。 作为地球上一种原始的生命形式，微生物具有数量多、种类多、分布广、适应性 强和代谢类型多样等特点，它们无时无刻不参与地表岩石和矿物的风化和矿质元素运 移过程，对地球上矿产资源的形成起着显著的作用。可以说地球表面几乎不存在未经 微生物作用的物质，地球岩石风化和演化的整个过程都有微生物的作用贯穿其中。微 生物与矿物相互作用研究是近年来矿物学、微生物学、化学及环境科学中的一个热门 交叉研究领域，而由微生物与矿物相互作用研究派生出来的微生物矿物学 M i c r o m i n e r a l o g y 正日益引起学术界的广泛重视 连宾，1 9 9 9 。微生物矿物学的主 要研究内容有①微生物矿物及其集合体的物质组成、内部结构、外部形态、理化 性质、生理功能、形成条件、矿化过程和演化历史；②微生物生长繁殖及其代谢活 动所造成的矿物元素运移、富集或微生物与矿物两者之间互相制约、互相促进及其发 展变化的规律，以及这些规律在人类生产实践中的应用。 目前已有大量有关微生物对矿物风化作用的研究报道 B o y l ea n dV o i g t ，1 9 7 3 ； C a l l o te ta 1 ．，1 9 8 7 ；连宾，1 9 9 8 ；B e n n e t te ta 1 ．，2 0 0 1 。B e n n e t t 等 2 0 0 1 在研究微生 物对硅酸盐矿物的风化作用时，发现微生物需要从特殊的矿物中提取有限的营养并促 进其生长发育，由此认为矿物的微生物风化速率取决于其所含营养成分和微生物生 态。B a r k e r 等 1 9 9 8 通过对铝硅酸盐矿物的微生物风化作用研究，认为微生物直接 南京师范大学学位论文胶质芽孢杆菌在矿物溶解与结晶过程中的作用 促进铝硅酸盐的风化可能仅限于细胞周围有水的微区域。微生物可以产生多种胞外聚 合体，从而在细胞附着岩石表面时形成凝胶层或生物膜 B a r k e ra n dB a n f i e l d ，1 9 9 6 ； F o r t i ne ta 1 ．，1 9 9 7 ，而多糖在这一过程中具有反去湿作用 O p h i ra n dG u m i c k , 1 9 9 4 。 微生物与铝硅酸盐的直接作用还可以导致微生物对矿物的机械破坏作用 L i a nB i n , e t a 1 ．，2 0 0 8 。 碳酸盐岩风化作用是与地球陆地碳循环有关的重要的地球表生作用，其显著特点 是与地球各圈层，即大气圈、水圈、岩石圈、 包括土壤层 和生物圈的物质能量转 移有关，对地球陆地碳循环起至关重要的作用 袁道先和蔡桂鸿，1 9 8 8 ；袁道先和刘 再华，2 0 0 3 。深入研究微生物在碳酸盐岩风化成土过程中的作用，对于了解岩溶生 态退化的本质和成因是极有帮助的，进而有助于指导岩溶地区的生态恢复和重建 李 为等，2 0 0 4 。李勇等 2 0 0 5 ，2 0 0 6 则认为开展碳酸盐岩风化作用的研究有助于了 解碳酸盐岩地区岩石和土壤的化学元素循环规律，并对控制土壤的风化淋溶速率和调 节土壤营养元素的迁移和转换有重要参考价值。目前，有关碳酸盐矿物的微生物风化 作用研究报道较少，P i t z u r r a 等 2 0 0 3 研究了钙质石灰页岩样品暴露在意大利、佩鲁贾 两个不同污染程度的地区，微生物在碳酸盐岩表面的生长及其风化作用的产物。连宾 等实验观察到碳酸盐岩风化过程有非常明显的细菌活动 连宾，2 0 0 8 ，而特定细菌 介导的碳酸钙生物矿化作用会影响到不同类型的碳酸钙结晶化与外形特型 L i a nB i n ， e ta 1 ．，2 0 0 6 。 近年来，细菌诱导矿化现象也引起众多领域学者的关注 M i t c h e l lAC ，e ta l ，2 0 0 5 ； D e j o n g jT ，e ta l ，2 0 0 6 。近几十年来的研究充分表明，微生物是沉积变化与成岩作用以 及成矿作用的主要作用者 阎葆瑞等，2 0 0 0 ，细菌有广泛的矿化沉积能力，可沉积 硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硅酸盐、硫化物及氧化物等 V a nL i t hY ，e ta l ，2 0 0 3 ； R i v a d e n e y r aM 八e ta l ，2 0 0 6 。D e V r i n d ．d eJ o n g 等 1 9 9 7 发现一些特殊的矿物可以形 成于细胞内、细胞周质和细胞表面 B e v e f i d g e ，1 9 8 9 ，或形成于生物膜 fK n m a b e i n , 19 8 6 。生长在矿物上的共生微生物常常和新矿物的形成有关 J o n e sa n d W i l s o n ，1 9 8 6 。G o r b u s h i n a 等 2 0 0 1 发现一种新的生物成因的镁橄榄石和蛋白石生长 在受到严重生物侵蚀的石英岩上，并形成于蓝细菌表面生物膜的地衣皮层里，但两种矿 物的形成均需要地衣的参与。此外，微生物对碳酸盐、氧化物、磷酸盐、硫化物、硅 酸盐等 F o r t i ne ta l ，1 9 9 7 矿物和叠层石、核形石、树枝石和凝块石等，以及某些鲕粒、 团粒、球粒和泥晶的形成都具有重要影响。基于此，B u r n e 等 1 9 8 7 提出了微生物岩 r n i e r o b i o l i t e 的概念，以描述由底栖微生物的生长和生理活动而产生的生物沉积岩。 S i l v a 2 0 0 4 和F e m a n d e s 2 0 0 6 发现，天然矿化层可有效遏止风化腐蚀，并 且其形成与微生物的活动密切相关。刘强等 2 0 0 6 研究发现微生物矿化草酸钙形成 的天然致密的亲水性半透明膜较好地保护了野外石质建筑，甚至矿化膜层下1 0 0 0 多年 2 南京师范大学学位论文胶质芽孢杆菌在矿物溶解与结晶过程中的作用 前的雕刻刀痕还隐约可见。而R o d r i g u e z - N a v a r r o 等 2 0 0 3 在多孔石灰石表面进行 细菌诱导碳酸钙矿化沉积，发现矿化层厚度达1 0 “ - 5 0g m ，与底层间有较好黏结性与 相容性，矿化层植入深度达N 1 皿n 而不影响结构孔隙率。王瑞兴等 2 0 0 8 通过引 入C a 源，利用微生物生长繁殖过程中的酶化作用，顺利沉积出碳酸钙，并采用覆膜的 方法在水泥石表面矿化沉积出方解石。相对传统方法，细菌诱导碳酸钙矿化修复加固 有其显著的优势及潜力，利用细菌诱导成矿对重要历史建筑物裂缝进行修复保护，因 其具有破坏性小和环境友好等特点有广泛的应用前景 李沛豪等，2 0 0 9 。 不仅如此，细菌诱导矿化在重金属污染治理方面也起到重要作用。细菌体积微小， 在所有生物中具有最大的表面积／体积比率，同时其表面有各种各样的带负电荷的表 面功能基团 表面反应位 ，如羧基、磷酰基、羟基等基团，因此可吸附各种各样的 金属阳离子，使之富集于表面，同时诱导形成各种细粒的非晶质或弱结晶质的矿物沉 淀，可固定环境中的有毒金属离子 S c h u l t z ．L a mS ，1 9 9 6 。F e r r i s 等 1 9 8 7 对受 矿山尾矿污染的加拿大L o w e rM o o s e 湖的沉积物的研究表明，细菌表面可成为许多自 生矿物的成核位置，如非晶质的含C u 、Z n 的马基诺矿 F e S l ．x 、弱结晶质的针 镍矿 N i S 等硫化物矿物及细粒、非晶质及弱结晶的 F e ，A 1 ．硅酸盐矿物；U r r u t i a 通过对细菌B a c i l l u ss u b t i l i s 表面吸附实验表明，即使在很低的温度下 4 ℃ ，该细 菌表面对重金属离子P b 、C d 、Z n 、C r 、N i 及C u 都有很强的亲合性，其表面形成的 F e ，A 1 ．硅酸盐结晶较差，成分多变，粒度细小，类似层状硅酸盐，重金属离子 能够被细菌表面固着形成金属．硅酸盐矿物沉淀。 1 ．1 ．2 微生物胞外分泌物在矿物溶解和结晶过程中的作用 一些学者认为微生物之所以能够加速矿物分解和风化过程，是因其能够在矿物表 面和缝隙中增殖、生长，造成矿物表面的微生物磨蚀和微生物钻孔，进而减弱矿物表 面强度，促进机械侵蚀作用，破坏周围岩石颗粒的胶结结构 王福星，1 9 9 3 ；连宾， 2 0 0 8 。这些过程的发生，都与微生物胞外分泌物质有着密不可分的联系。许多研究 者认为，微生物促进岩石和矿物风化的重要途径之一是酸的溶解作用 E h r l i c h ，1 9 9 8 ； B a r k e re ta 1 ．，1 9 9 8 ；C a m e s e l l ee ta 1 ．，2 0 0 3 ；P u e n t e ae ta 1 ．，2 0 0 6 。微生物分泌的酸 可以是无机酸如H N 0 3 和H 2 S 0 4 等，也可以是各种有机酸 B e n n e t te ta 1 ．，1 9 9 6 ，2 0 0 1 ； W e l c he ta 1 ．，1 9 9 3 ，1 9 9 6 ，2 0 0 2 ；R o u t he ta 1 ．，2 0 0 1 ；L e w a ne ta 1 ．，1 9 9 4 ；C h a p e l l ee t a 1 ．，1 9 9 6 ；B a k e re ta 1 ．，1 9 9 7 ，包括主要由真菌产生的柠檬酸、草酸、葡萄糖酸、由 细菌产生的甲酸、乙酸、醋酸、乳酸、琥珀酸等一些有机酸。对于硅酸盐矿物来说， 它的溶解速率与周围环境的p H 值有关 B a r k e re ta l 。，1 9 9 8 ，总体来说，在p H 值接近中 性时，溶解速率最低，而随着酸碱度的增大，溶解速率随之增大。有机酸对增加硅酸 盐矿物的溶解度和释放赳，F e 等元素的速率也有着显著的贡献 W e l c ha n dU l l m a n , 南京师范大学学位论文胶质芽孢杆菌在矿物溶解与结晶过程中的作用 1 9 9 3 。还有一些学者 C h r i s t e r t s e na n dC h a r a c M i s ，1 9 9 0 ；D o ．a n ，2 0 0 2 ；连宾，2 0 0 2 认为微生物在分泌有机酸溶蚀矿物的同时，微生物的细胞还能分泌出多种胞外聚合 物，这些聚合物能在在微生物的周围形成适合它们生长的微环境，保护微生物免受外 界环境的影响，并利用其吸附性为微生物获取从矿物中溶蚀出的营养元素。 近年来，研究者们试着从仿生学的角度利用生物组织或生物大分子合成具有复杂 结构形态和功能的无机材料，这一领域的研究逐渐活跃起来 D o u g