微生物粘附加速钙长石溶解直接证据_透析法实验研究.pdfVIP

中国科学: 地球科学 2011 年 第41 卷 第10 期: 1454 ~ 1462 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 微生物粘附加速钙长石溶解的直接证据: 透析法实验研究 ①② ①* ① 周跃飞 , 王汝成 , 陆现彩 ① 内生金属成矿机制研究国家重点实验室, 南京大学地球科学与工程学院, 南京 210093; ② 合肥工业大学资源与环境工程学院, 合肥 230009 * 联系人, E-mail: rcwang@ 收稿日期: 2009-12-14; 接受日期: 2010-07-06 国家重点基础研究发展计划(编号: 2007CB815603)、国家自然科学基金(批准号: 和教育部博士点基金(批准号: 20050284043, 20050284044)资助 摘要 微生物的粘附对矿物的溶解有较大影响. 本文通过对比实验, 利用透析的方 关键词 法, 系统研究了钙长石与多粘芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)及其大分子代谢产物直 钙长石 Paenibacillus polymyxa 接接触和无接触(透析) 时的溶解行为. 实验结果表明, 在实验持续的 10 天内, 细菌作 粘附 用下钙长石的溶解显著加速, 同时伴有纳米级次生沉淀的生成(只在接触实验中)及钙 溶解 长石表面相对于Si 贫Ca, Al 的淋滤层的形成. 对有菌的接触和透析实验, 元素Ca, Al 透析法 和Si 的溶出特征差异明显, 主要表现为: Ca 在透析条件下的溶出能力显著强于接触条 件下, 而Al 和Si 正相反. 这一溶出差异性表明, 在机理上钙长石中Ca 的溶出主要与 质子交换作用有关, Al 和 Si 的溶出则主要与配体络合作用优先破坏其架状结构中的 Al-O-Si 键有关. 研究同时表明, 在溶解动力学上, Ca 的溶出主要受表面反应和淋滤层 扩散控制, 粘附的细菌会通过抑制表面反应以及 Ca 向溶液中的扩散来影响其溶出动 力学; Al 和Si 的溶出则主要受表面反应控制, 细菌的粘附可以加速该动力学过程. 自然界的土壤和水体中广泛分布着微生物, 微 有特殊的物质组成及含量(如氢离子、有机配体等), 生物通常会通过范德华力、静电相互作用力、氢键等 因此会对矿物或岩石的溶解能力产生较大影响. 以 粘附于矿物、岩石等固体物质表面[1,2]. 这种粘附作用 自然界广泛存在的长石为例, 在微生物存在时, 其表 往往能够直接影响矿物或岩石表面的理化性质, 从 面很容易形成液膜或生物膜[5,8~10], 由于质子交换(即 而改变其溶解行为[3~9]. 如粘附于矿物或岩石表面的 酸解作用)和配体络合是微生物及其代谢物促进长石 微生物的代谢物在扩散速率较低时, 会在其周围积 溶解的两种主要机制[5,11~14], 因此, 微生物在长石表 聚, 形成“液膜”[5~7,9]; 同时, 大量微生物及代谢物也 面的粘附对长石溶解具有重要影响[8~10]. 可以通过化学键的作用相互交联, 在矿物或岩石表 然而, 目前关于微生物粘附影响长石溶解的研 面形成生物膜[10]. 无论是液膜还是生物膜, 往往均具 究大多还停留在定性描述阶段. 这是因为在长石-溶