胶质芽孢杆菌促进蒙脱石分解作用机制研究

This project focuses on the key scientific problem about the mineral interface reaction process and crystal structure damage, elements Si and Al releasing from silicon-oxygen tetrahedron in crystal structure, possible structural and phase transformation mechanism during the decomposition of montmorillonite by Bacillus mucilaginosus, a strain of silicate bacteria. By combining the modern mineralogical analysis methods and microbiological techniques, and also utilizing multi-disciplines research thought, a systematic study of interaction between typical layered silicate mineral, montmorillonite, and surface common silicate bacteria, Bacillus mucilaginosus, would be carried out. Based on the research of mineralogy fine features, such as micro-morphology, phase composition, chemical composition, and crystal structure, etc., and microbial physiological characteristics, biochemical properties and metabolic features, etc., it would be highly possible to further explore the mechanism of silicate bacteria decomposing layered silicate minerals. It might provide a new perspective to analyze the process and influencing factors of clay minerals structure changes. The feature of this project is the comprehensive study of elements releasing dynamic characteristics and mineral structure adjusting/changing thermodynamic characteristics, focusing on mineral/microbe/water interface reaction, it could be expected to provide experimental evidence and scientific basis for further study of microbes promoting silicate mineral weathering from multi-crossed disciplinary study level.

本项目研究拟围绕硅酸盐细菌胶质芽孢杆菌Bacillus mucilaginosus分解硅酸盐矿物蒙脱石的界面作用过程与蒙脱石晶体结构破坏、释放主要元素及发生可能的物相转变机制这一关键科学问题，将现代矿物学研究方法与微生物学分析方法相结合，系统进行地表典型的层状硅酸盐矿物蒙脱石与地表常见的硅酸盐细菌胶质芽孢杆菌交互作用实验研究。在对比研究交互作用前后矿物表面微形貌、物相组成、化学成分、晶体结构等矿物学精细特征及微生物生理生化特征、代谢产物等的基础上，深入探讨硅酸盐细菌与层状硅酸盐矿物的交互作用方式，提出胶质芽孢杆菌作用下的蒙脱石矿物发生可能的结构转变机制及影响因素。项目研究特色是将矿物元素释放的动力学特征与微生物促进矿物发生转变的热力学机制研究相结合，着眼于矿物/微生物/水环境介质这一关键反应界面，从多学科交叉研究水平上为微生物促进硅酸盐矿物风化研究提供实验和科学依据。

粘土矿物在地球表层分布广泛，与微生物的交互作用十分常见。本项目围绕硅酸盐细菌分解硅酸盐矿物蒙脱石的界面作用过程与蒙脱石晶体结构破坏、释放主要元素及发生的物相转变机制这一关键科学问题，将现代矿物学研究方法与微生物学分析方法相结合，系统进行了胶质芽孢杆菌Bacillus mucilaginosus与蒙脱石在常温、常压条件进行交互作用实验。并在实验中定期取样进行pH与体系总蛋白含量测试，利用显微傅里叶变换红外光谱（micro-FTIR）、同步辐射X射线近边吸收结构（XANES）、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对最终产物进行矿物学表征。考察了胶质芽孢杆菌生命活动对蒙脱石晶体结构的影响。实验结果显示，胶质芽孢杆菌在蒙脱石矿物悬浊液中生长，代谢分泌大量有机酸导致体系pH值降低，使蒙脱石中Si元素溶出，并造成蒙脱石晶体结构中硅氧四面体对称性、O-H振动等发生变化，Fe配位八面体对称性下降，矿物表面出现边缘卷曲现象。在微生物作用后的矿物样品中，同步辐射XRD探测到新形成的α-石英物相，可能与微生物的活动密切相关。新形成的低温石英（α-石英）极有可能是进入体系溶液中的Si元素首先沉淀形成无定型或结晶度较低的二氧化硅颗粒，经一定时间聚集结晶逐步形成。低温石英的形成可能也是造成反应末期Si体系元素浓度逐渐下降的原因。尽管原样品中含有一定量低温方石英，由于低温方石英在常温条件下稳定，且胶质芽孢杆菌作用前后方石英物相特征峰相对强度基本不变，新形成的低温石英（α-石英）中，Si元素应当主要来源于钙基蒙脱石。微生物作用下在短时间内形成α-石英比较罕见，胶质芽孢杆菌的某种作用可能加速了石英的结晶沉淀，具体过程尚待进一步探究。胶质芽孢杆菌作用后矿物样品中的蒙脱石结晶程度下降，但其物相没有发生明显转化，可能因为细菌与蒙脱石交互作用的区域有限，蒙脱石晶体结构的影响发生在矿物局部。此时蒙脱石晶体结构的整体框架仍然比较稳定，尚未发生大面积的塌陷或改变。