枯草芽孢杆菌驱动蛇纹石风化耦联矿物碳酸盐化的代谢调控机理

In the context of global climate change, research on serpentine mineral bio-weathering coupling atmospheric CO2 deposition has important value. Though the method of promoting serpentine weathering by microbes has received widespread attention, the poor biotransformation capacity of serpentine by microbes still have not been improved. What’s more, because of lacking of researches from domestic and foreign scholars in this area, the mechanism about serpentine weathering by microbes is not yet very clear, which limit the development of the biological method used in the practice of serpentine weathering. This project will integrate technologies of molecular biology, mineralogy and geochemistry to study serpentine weathering by Bacillus subtilis. To illuminate the weathering products, dynamic changes and environmental impact factors in the process of serpentine biological weathering, SEM, TEM, XRD, ICP-OES and other related analysis tools will be employed to analyze metabolites, ionic concentrations, enzymatic activities and secondary minerals in the biological weathering medium. Transcriptome sequencing, gene deletion and over-expression technologies will be used to seek the related key genes, metabolic pathways and regulation mechanism of microbial weathering serpentine coupling mineral carbonation under different conditions. Then, constructing recombinant strains to accelerate the serpentine weathering and carbonate formation. This study is of great significance for the geochemical cycle theory of mineral bio-weathering and carbon migration and will provide a promising way for atmospheric carbon sequestration by utilizing the method of serpentine bio-weathering.

在全球气候变化的背景下，研究蛇纹石矿物生物风化促进大气CO2沉降受到普遍关注。但蛇纹石矿物的生物转化能力较低，风化速率较慢，相关研究较为缺乏，对机理的认识尚不清晰，难以在实际应用的探索中获得有价值的成果。本申请综合运用分子生物学、矿物学和地球化学研究手段，以枯草芽孢杆菌和产自江苏东海县的蛇纹石为研究对象，借助SEM、TEM、XRD、ICP-OES等分析工具，通过对蛇纹石生物风化过程中代谢产物、离子浓度及相关酶活变化等指标的检测以及次生矿物的分析，研究该菌对蛇纹石的风化作用产物、动态变化过程及环境影响因子；用转录组测序、基因敲除和过表达等技术研究在不同条件下该菌风化蛇纹石耦联矿物碳酸盐化反应有关的关键基因、代谢途径与调控机制；并据此构建过表达菌株以加速对蛇纹石风化和促进碳酸盐形成。该研究有助于丰富矿物生物风化驱动碳循环的生物地球化学理论，为有效利用蛇纹石生物风化的固碳潜力提供理论依据。

在全球气候变化背景下，研究蛇纹石的生物风化对助力实现“碳中和”有重要意义。本项目综合运用微生物学、分子生物学和矿物学等研究手段，以枯草芽孢杆菌等常用微生物和产自江苏省东海县的蛇纹石为研究对象，探索了实验条件下细菌驱动蛇纹石风化耦联碳酸盐形成过程中的代谢调控机制，解析了多种微生物风化蛇纹石的产物特征及其动态变化，构建了旨在促进蛇纹石风化和碳酸盐形成的特定基因过表达菌株，开展了利用自然条件下蛇纹石的生物风化固碳以及蛇纹石的生物改性利用等研究工作。获得的主要研究结果和新认识如下：①细菌风化蛇纹石偶联碳酸盐合成过程包括两个阶段，即：产酸风化阶段，其特征是上调氧化还原酶及小分子酸性代谢产物相关的基因表达以促进对蛇纹石的风化；成矿阶段，其特征是细菌调控与Ni、NH3转运蛋白以及脲酶等相关蛋白的基因表达上调，并伴随碳酸盐和鸟粪石等次生产物形成。②在蛇纹石生物风化过程中，有机质参与了碳酸盐和鸟粪石等次生产物的形成，而富含有机质的碳酸盐形成是矿物生物风化固碳的一大特色。③伴随蛇纹石矿区环境多样化植物的演替，植物根际能塑造出适应蛇纹石矿区环境的特定微生物群落结构，它们共同驱动蛇纹石的生物风化，并形成了矿区环境内以高镁方解石为特征的土壤碳酸盐库。④蛇纹石经过改性处理，可大大提高其生物风化效率，包括蓝藻在内的多种微生物可以实现对改性蛇纹石的风化并偶联碳酸盐形成。⑤采用真菌风化蛇纹石的方法获得了一种多孔的有机-无机复合生物矿物材料，可用于酸性条件下固持重金属离子，这是一种新型矿物改性方法，具有潜在应用前景。本项研究有助于深入理解硅酸盐矿物生物风化捕获大气CO2的地质生物学过程，为有效利用蛇纹石生物风化的固碳潜力和推进其实践应用提供理论依据。