地表“矿物膜”半导体矿物光电子调控微生物群落结构演化特性研究
发布时间：2022-01-17 07:30
矿物-微生物交互作用广泛参与地球表层系统物质循环与能量流动过程,深刻地影响着一系列重要的地表生物地球化学进程。近年来地表半导体矿物的相关研究,为矿物-微生物交互作用提供了崭新研究方向,揭示地表"日光-半导体矿物-微生物"系统电子传递过程及其环境效应,是地质微生物学交叉领域研究的核心科学问题之一。本研究从地表不同生境"矿物膜"出发,以光电化学技术证实喀斯特、红壤、岩石漆"矿物膜"在1 000min长时间循环实验中平均光电流值约为5.4、3.4、3.2μA/cm2,证实"矿物膜"良好日光响应特性且铁锰氧化物矿物在其中发挥核心作用。基于笔者前期研究所发现的"矿物膜"电活性菌富集且与半导体矿物分布呈正相关性这一现象,本文进一步构建模拟光电子红壤细菌群落系统,20天后细菌群落α多样性显著提升,研究证实细菌群落具有模拟光电子响应活性,且电极与溶液群落均具有演化方向性;16S rRNA测序分析表明模拟光电子作用下Shewanella、Pseudomonas、Streptococcus、Lactobacillus、Acinetobacter等电活性菌显著富集。综上,本文研究结果间...
【文章来源】：地学前缘. 2020,27(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
三电极光电化学体系示意图
通过SR-XRD分析岩石漆矿物成分，研究表明其主要由黏土矿物及铁锰氧化物矿物构成（图2d），具体矿物相包括石英、蒙脱石、水钠锰矿、锰钡矿、赤铁矿、针铁矿等。电镜观察岩石漆微形貌过程中能谱（EDS）数据显示主要组成元素为O、Mn、Fe、Si、Al，其中Mn质量分数为12.42%～17.07%,Fe质量分数为8.85%～11.28%,O、Si、Al质量分数分别为47.36%～50.43%、11.23%～16.72%、6.64%～8.78%；基岩Mn含量<1%，与前人报道指出的岩石漆Mn元素含量高于基岩100倍结果相一致[22-25]。由于铁锰氧化物结晶程度差，为准确了解“矿物膜”中铁锰氧化物主要矿物相组成，采用显微拉曼光谱原位分析“矿物膜”样品。喀斯特“矿物膜”样品结果如图2e所示，576cm-1与635cm-1分别对应水钠锰矿平行于锰氧八面体层Mn—O键对称伸缩振动峰以及垂直于锰氧八面体层Mn—O键对称伸缩振动峰[26]。之前X射线扩展边谱（EXAFS）傅里叶变换分析结果表明，喀斯特“矿物膜”与层状水钠锰矿更为接近，尤其在2.0～4.0?范围内原子结构壳层，指示其中的锰氧化物主要为层状水钠锰矿结构形式[8]，结果吻合于前人所指出的水钠锰矿及类水钠锰矿在土壤、荒漠、富锰矿床甚至海洋锰结核等不同地质环境为主要物相[27]。其中224、495、297、410、615cm-1包含了Fe—O弯曲振动峰以及O—Fe—O伸缩振动峰[28]，指示赤铁矿广泛存在，拉曼分析表明赤铁矿与水钠锰矿是“矿物膜”最主要的铁锰氧化物矿物。2.2 半导体“矿物膜”日光响应特性
同时进一步将Xe灯作为日光模拟光源，切换不同滤光片获取不同波长，研究“矿物膜”特定波长下光电转化效率。如图3b所示，3组样品IPCE变化范围皆为0.002‰～0.03‰，对比3条曲线，所有样品在400nm一端数值较高，并在420nm处测得实验体系的可见光范围内最大值；同时第二峰值出现在580nm的短波一侧，波长越短，光子能量越高，“矿物膜”将具有更强参与光催化电子传递能力，实验结果表明“矿物膜”对于不同波段可见光皆具有良好吸收特性，且对短波部分吸收更多，在地表环境中可发挥持续性光催化作用。3“矿物膜”群落结构及电活性菌富集特性分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]地表“矿物膜”:地球“新圈层”[J]. 鲁安怀,李艳,丁竑瑞,王长秋. 岩石学报. 2019(01)
[2]武汉黄棕壤铁锰氧化物胶膜的矿物学特征研究[J]. 李岩,李艳,鲁安怀,王浩然,丁聪,杨晓雪. 岩石矿物学杂志. 2016(02)
[3]Introduction of the X-ray diffraction beamline of SSRF[J]. 杨铁莹,文闻,阴广志,李晓龙,高梅,顾月良,李丽,柳义,林鹤,张兴民,赵滨,刘亭坤,杨迎国,黎忠,周兴泰,高兴宇. Nuclear Science and Techniques. 2015(02)
[4]关键带中天然半导体矿物光电子的产生与作用[J]. 鲁安怀,李艳,王鑫,丁竑瑞,刘熠,王长秋. 地学前缘. 2014(03)
[5]土壤胶膜的研究进展[J]. 黄丽,刘凡,谭文峰,王贻俊. 土壤通报. 2003(02)
本文编号：3594314
【文章来源】：地学前缘. 2020,27(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
三电极光电化学体系示意图
通过SR-XRD分析岩石漆矿物成分，研究表明其主要由黏土矿物及铁锰氧化物矿物构成（图2d），具体矿物相包括石英、蒙脱石、水钠锰矿、锰钡矿、赤铁矿、针铁矿等。电镜观察岩石漆微形貌过程中能谱（EDS）数据显示主要组成元素为O、Mn、Fe、Si、Al，其中Mn质量分数为12.42%～17.07%,Fe质量分数为8.85%～11.28%,O、Si、Al质量分数分别为47.36%～50.43%、11.23%～16.72%、6.64%～8.78%；基岩Mn含量<1%，与前人报道指出的岩石漆Mn元素含量高于基岩100倍结果相一致[22-25]。由于铁锰氧化物结晶程度差，为准确了解“矿物膜”中铁锰氧化物主要矿物相组成，采用显微拉曼光谱原位分析“矿物膜”样品。喀斯特“矿物膜”样品结果如图2e所示，576cm-1与635cm-1分别对应水钠锰矿平行于锰氧八面体层Mn—O键对称伸缩振动峰以及垂直于锰氧八面体层Mn—O键对称伸缩振动峰[26]。之前X射线扩展边谱（EXAFS）傅里叶变换分析结果表明，喀斯特“矿物膜”与层状水钠锰矿更为接近，尤其在2.0～4.0?范围内原子结构壳层，指示其中的锰氧化物主要为层状水钠锰矿结构形式[8]，结果吻合于前人所指出的水钠锰矿及类水钠锰矿在土壤、荒漠、富锰矿床甚至海洋锰结核等不同地质环境为主要物相[27]。其中224、495、297、410、615cm-1包含了Fe—O弯曲振动峰以及O—Fe—O伸缩振动峰[28]，指示赤铁矿广泛存在，拉曼分析表明赤铁矿与水钠锰矿是“矿物膜”最主要的铁锰氧化物矿物。2.2 半导体“矿物膜”日光响应特性
同时进一步将Xe灯作为日光模拟光源，切换不同滤光片获取不同波长，研究“矿物膜”特定波长下光电转化效率。如图3b所示，3组样品IPCE变化范围皆为0.002‰～0.03‰，对比3条曲线，所有样品在400nm一端数值较高，并在420nm处测得实验体系的可见光范围内最大值；同时第二峰值出现在580nm的短波一侧，波长越短，光子能量越高，“矿物膜”将具有更强参与光催化电子传递能力，实验结果表明“矿物膜”对于不同波段可见光皆具有良好吸收特性，且对短波部分吸收更多，在地表环境中可发挥持续性光催化作用。3“矿物膜”群落结构及电活性菌富集特性分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]地表“矿物膜”:地球“新圈层”[J]. 鲁安怀,李艳,丁竑瑞,王长秋. 岩石学报. 2019(01)
[2]武汉黄棕壤铁锰氧化物胶膜的矿物学特征研究[J]. 李岩,李艳,鲁安怀,王浩然,丁聪,杨晓雪. 岩石矿物学杂志. 2016(02)
[3]Introduction of the X-ray diffraction beamline of SSRF[J]. 杨铁莹,文闻,阴广志,李晓龙,高梅,顾月良,李丽,柳义,林鹤,张兴民,赵滨,刘亭坤,杨迎国,黎忠,周兴泰,高兴宇. Nuclear Science and Techniques. 2015(02)
[4]关键带中天然半导体矿物光电子的产生与作用[J]. 鲁安怀,李艳,王鑫,丁竑瑞,刘熠,王长秋. 地学前缘. 2014(03)
[5]土壤胶膜的研究进展[J]. 黄丽,刘凡,谭文峰,王贻俊. 土壤通报. 2003(02)
本文编号：3594314
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