土壤铁锰氧化物矿物日光催化效应促进微生物固碳作用机制研究

Based on the research means belonging to the interdisciplinary fields of in mineralogy and microbiology, this project focus on the critical scientific issue of: 1) the mechanism of multiple coupling system in which the non-phototrophic microorganisms are metabolically promoted by the photocatalysis of semiconducting iron-manganese oxides which are common in epigeosphere soil system and 2) the microscopic mechanism of efficient transformation from carbon dioxide to organic substrates. The studies of synergistic effect between iron-manganese oxide minerals and non-phototrophic heterotrophic and autotrophic microorganisms are carried out to explore the electrons flowing between iron-manganese oxide minerals and living microorganisms in soil system. The microscopic mechanism of synergistic effect between iron-manganese oxide minerals and non-phototrophic microorganism as well as the environmental response of carbon dioxide transformation and assimilation were further investigated, with the purpose to propose a new pathway of carbon assimilation in natural biogeological processes and a new method of carbon transformation by the integration of minerals and microorganisms. The study on the critical scientific issue of "Geomicrobiology and biogeology process and its environmental effect" will contribute to the research field of carbon dioxide transformation by the integration of soil minerals and microorganisms and provide theoretical and scientific basis for developing new carbon isolation and transformation techniques in the future of China.

本项目拟采用矿物学与微生物学交叉学科研究手段，重点围绕地球表层土壤系统中常见的铁锰氧化物半导体矿物日光催化效应有效促进非光合微生物生长代谢的多元耦合反应体系作用机理以及大气中二氧化碳在该作用过程中能否高效转化为有机物质的微观反应机制这一关键科学问题，开展土壤系统中铁锰氧化物矿物与非光合光电能异养型和光电能自养型微生物协同作用机理研究，探索日光下土壤铁锰氧化物矿物与活体微生物之间电子流动过程，以查明土壤系统中铁锰氧化物矿物日光催化性与非光合微生物活体层次上发生协同作用的微观机制及其对二氧化碳有机化转化、固定的环境响应机制，提出自然界中生物地质学过程固碳作用新途径以及矿物与微生物碳隔离与转化新方法。切实为"地球微生物学、生物地质学过程及其环境效应"这一领域关键科学问题的研究，做出土壤矿物与微生物协同转化大气二氧化碳方面研究的学术贡献，为我国未来发展新的碳隔离与转化技术提供理论基础与科学依据。

地表陆地系统是一个极为复杂的开放系统，其中所充满的阳光、水分、有机酸、无机酸/盐、矿物质和微生物等彼此之间无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的多种自然作用。本项目采用矿物学与微生物学交叉学科研究手段，重点围绕地球表层土壤系统中常见的铁锰氧化物半导体矿物日光催化效应有效促进非光合微生物生长代谢的多元耦合反应体系作用机理以及大气中二氧化碳在该作用过程中发生转化的反应机制这一关键科学问题，在我国南方红壤、西南喀斯特和西北戈壁中，系统采集了直接暴露在太阳光下的地表土壤/岩石样品。深入研究了地表红壤及喀斯特和戈壁岩石中铁锰氧化物物相组成、化学成分、结构构造矿物学特征，发现红壤表面广泛发育铁锰氧化物“矿物膜”，提出太阳光照射下的喀斯特和戈壁表面普遍存在铁锰氧化物半导体“矿物膜”。对比研究了陆地表层红壤与地下土壤、正面岩石漆与背面树枝石中铁锰氧化物矿物学精细特征，重点研究了地表“矿物膜”中占主导的水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿半导体矿物学特征及其日光响应性能，查明地表铁锰氧化物“矿物膜”具有优良的半导体性能与日光光催化效应，获得地表“矿物膜”光电转化效应的原位高精度测定方法。详细分析了地表“矿物膜”中微生物群落光电子响应活性，发现“矿物膜”发育的陆地地表生境中微生物群落特异性。系统实验提出土壤半导体矿物协同非光合微生物耦合转化二氧化碳的固碳路径：大气二氧化碳→小分子有机物→可溶性碳酸根→碳酸盐矿物，揭示地表铁锰氧化物半导体“矿物膜”与“光电能”微生物协同转化大气中二氧化碳形成碳酸盐矿物的固碳反应机制。新提出“矿物膜”光电子与太阳光子和元素价电子共同组成了地表存在的三种主要能量形式，开辟了矿物光电子能量与“光电能”营养微生物研究领域，引领了微生物生长代谢作用利用半导体光电子能量的国际研究潮流，发展与完善了陆地上“矿物膜”光电子协同非光合微生物耦合作用碳转化与隔离的理论与方法。发表学术论文61篇，其中SCI论文22篇，出版专著1部，获发明专利2项。