真菌风化利蛇纹石的动力学机制研究

发布时间：2018-07-16 22:57

【摘要】：人类活动带来的温室气体(主要是CO2)排放是半个多世纪以来全球气候变暖的主要原因。因此,科学家认为降低大气中CO2的浓度是解决全球气候变化的重要突破点。在提议的CO2固定方法中,蛇纹石封存虽具有独特的优势,却受限于Mg的获取。含重金属蛇纹石的风化带来了严重的环境问题。学者提出通过植物富集的方法对这些地区进行修复。但是,重金属的生物有效性制约了该方法的工程化应用。地质微生物学家在发现真菌具有巨大矿物风化潜力之后,相关研究者逐渐将工作重点转向微生物方法提取蛇纹石矿物中的Mg和Ni以实现CO2封存和重金属修复。目前关于真菌对利蛇纹石矿物风化的速率和效率研究极其有限,对于风化机制更是缺少完整、系统的分析和论证。因此,本研究将采用野外采样和实验室相结合的研究方法,对原地栖息真菌风化利蛇纹石矿物的动力学机制进行探讨。本项研究对典型蛇纹石地区--江苏省连云港市山左口乡(34°37'N,118°30'E)进行系列的野外样品(土壤、水溶液和矿石)采集和分析工作。对植物根圈土壤真菌进行了培养、分离和筛选获得模式真菌后进行了该真菌-利蛇纹石摇动和静置培养实验,实验过程分析溶液离子(Mg、Si、Fe和Ni)浓度、pH值和有机小分子的种类和浓度,并用原位(in situ atomic force microscope)和高分辨率仪器(confocal laser scanning microscopy、focused ion beam-scanning electron microscope和transmission electron microscope-energy dispersive x-ray spectroscopy)分析真菌细胞-利蛇纹石界面过程细胞的附着和生长形成的微区环境,以及这个过程带来的利蛇纹石表面形态和细胞-矿物界面下矿物晶体结构和成分的变化。以上测试和分析的结果显示：(1)蛇纹石分布区植物根部土壤矿物风化明显,表现为矿物相的转化和元素的选择性淋滤,同时利蛇纹石表面广泛分布真菌和次生Mg碳酸盐；(2)植物根部土壤真菌多样性显著,且随着土壤矿物风化程度的提高而增加,分离获得9个属17种真菌,其中仅有Talaromyces flavus可以在含高浓度Mg2+(1 mol·L-1)或Ni2+(10 mmol·L-1)的渣氏(Czapek)培养基中保持较高的活性；(3) T. flavus对利蛇纹石的风化作用最明显,在38℃温度下30天内T. flavus对粒径为45～58μm利蛇纹石中Mg的提取效率高达-48 wt%。T. flavus对利蛇纹石的风化作用受细胞-矿物接触方式的影响,直接接触比隔离风化效率高40-50%; (4) T. flavus在风化利蛇纹石过程中代谢大量铁载体和有机酸(草酸、葡萄糖酸、甲酸、酒石酸、苹果酸、乙酸、富马酸和柠檬酸等),导致溶液的pH值降低。这些产物的总浓度在细胞-矿物接触实验中更高；(5)在弱酸性到中性溶液中,Mg和Si的溶解随着pH的增加而降低,而Fe和Ni的溶解在铁载体和草酸溶液中不受pH影响；(6) T. flavus细胞可以在矿物表面附着和生长并形成低pH值(比溶液低1.1个单位)环境;(7)T.flavus菌丝和孢子在矿物表面分别形成深为～1000 nm的溶蚀通道和深为～50 nm的溶蚀坑,这两种溶蚀特征在矿物表面所占面积分别为9.17%和34.45%。菌丝-和孢子-矿物界面下矿物中Mg和Fe的选择性淋滤深度分别为～8μm和～4.5μm。水溶液对Fe的选择性淋滤并不明显。菌丝-矿物界面以下矿物晶型缺失,但是孢子-矿物界面以下晶型保持完好。细胞在利蛇纹石矿物表面的直接溶解量占总风化量的40%-50%。以上结果表明(i)真菌在利蛇纹石自然风化和元素生物地球化学循环过程中发挥主要作用；(ⅱ) T. flavus代谢有机小分子通过质子催化作用加快Mg和Si的溶解,铁载体和草酸通过络合催化作用分别促进Fe和Ni的溶解；(iii)附着在利蛇纹石表面的细胞具有更高的活性；(iv)孢子萌发过程通过生物化学作用对利蛇纹石进行溶解,而真菌菌丝通过生物化学和生物物理协同作用加快利蛇纹石的溶解。T. flavus菌丝-利蛇纹石界面溶解矿物的机制为细胞代谢小分子的质子催化打开四面体(TH)-八面体(OH)层之间的H键,溶解Mg离子,菌丝生物物理力进一步分开TH和OH,最后破坏利蛇纹石的长层有序结构；(v)细胞在利蛇纹石表面的直接溶解作用是为了获取矿物中的Fe。本研究通过科学规范的工作,完成了从野外到室内,从水溶液到真菌细胞-矿物界面的系统研究,揭示了真菌风化利蛇纹石的动力学机制。相关的研究成果对于碳、其他营养元素和重金属元素的生物地球化学循环的认识,对全球气候变化和重金属污染土壤的修复等重要科学问题的解决都具有重大的科学意义。
[Abstract]:In the proposed method of CO2 fixation , the research on the rate and efficiency of soil , water solution and mineral is very limited . The results of this study are as follows : ( 1 ) The results of this study are as follows : ( 1 ) The soil mineral weathering in serpentine mineral is obviously limited , and the results show that : ( 1 ) The soil mineral weathering in the plant roots of the serpentine pattern is obvious , which shows the transformation of the mineral phase and selective leaching of the elements , while the surface of the serpentine is widely distributed with fungi and secondary Mg carbonates .
( 2 ) The diversity of soil fungi in roots of plants was significant , and with the increase of weathering degree of soil minerals , 9 genera and 17 fungi were obtained . Among them , only Talaromyces mutants could maintain high activity in the medium containing high concentration Mg2 + ( 1 mol 路 L -1 ) or Ni 2 + ( 10 mmol 路 L -1 ) .
( 3 ) The effect of T on the weathering of serpentine is the most obvious , the extraction efficiency of Mg from 45 to 58 渭m in 30 days at 38 鈩，

本文编号：2127934