含钾矿物生物转化的初步研究

论文摘要

我国可溶性钾矿资源极其缺乏,严重制约了钾肥生产和应用,国际钾肥市场被几个主要发达国家所垄断,钾肥价格连年上涨,这些因素使得我国农业生产中钾肥施用量严重不足,土壤缺钾情况日趋严重,影响了农业生产的快速发展。相反,我国低品位含钾矿物资源储量巨大,如果能够采用一定的方法有效地利用低品位含钾矿物,促使其释放活性钾素,那么对于缓解我国土壤缺钾问题会有所帮助。本文初步研究了一株兼性嗜热真菌烟曲霉（Aspergillus fumigatus）TH003菌株以及一株胶质芽胞杆菌（Bacillus mucilaginosus）BM03菌株对低品位含钾矿物的生物转化作用。采用固体培养方法研究了烟曲霉TH003菌株对低品位含钾矿物的生物转化作用,多种配方对比实验结果证明,以平菇栽培废料为主要基质并添加一定量其他有机质的培养基配方,微生物对含钾矿物的转化作用效果较好;通过单因子实验和正交实验优化,矿粉添加量60%、培养时间20d、培养温度40℃的实验条件组合,微生物作用含钾矿粉的释钾量较高,可达1965.079μg/g。利用硅酸盐细菌BM03菌株对含钾矿物进行生物浸出,钾释出量达到616.227μg/g。将两种作用方法组合起来开展对含钾矿物生物转化的研究,结果表明,矿粉钾的释出量最终能够达到2354.980μg/g。复合工艺对低品位含钾矿物的作用分为烟曲霉TH003菌株的微生物转化作用和硅酸盐细菌BM03菌株的生物浸出作用,因此,复合工艺的作用机理也包括这两个部分。烟曲霉TH003菌株的微生物转化作用机理,通过实验对比能够发现烟曲霉TH003菌株对低品位含钾岩石有解钾作用,这种作用的机理解释可以分为酸解作用、络解作用、离子交换吸附和微生物物理破坏作用等。硅酸盐细菌BM03菌株对含钾矿物的解钾作用机理分为直接作用、间接作用和协同作用三种,直接作用是指硅酸盐细菌对含钾矿物的直接磨蚀或溶蚀作用,间接作用是指硅酸盐细菌代谢产物对含钾矿物的化学降解作用,协同作用是指直接作用和间接作用中的多种作用形式同时存在;硅酸盐细菌能够与含钾矿物形成细菌-矿物复合体,这为细菌与矿物之间的相互作用提供了有利条件,在复合体这个微环境中细菌对含钾矿物的作用更为充分。与传统的含钾矿石加工工艺相比,生物转化方法对环境友好,无污染,且产物中富含多种可被植物吸收利用的营养成分,可用作进一步研制多功能有机肥料的基质。本文为研发新型低品位含钾矿物的生物加工技术提供了参考资料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钾素资源概况
• 1.2.1 钾素资源简介
• 1.2.2 我国钾素资源概况
• 1.2.3 钾的应用
• 1.2.4 当前矿物钾资源开发利用的途径
• 1.3 土壤钾素
• 1.3.1 土壤钾素的研究现状
• 1.3.2 土壤钾素的形态
• 1.3.3 土壤钾素的转化
• 1.3.3.1 土壤钾素的释放
• 1.3.3.2 土壤钾素的固定
• 1.4 微生物固态发酵
• 1.4.1 固态发酵概述
• 1.4.2 基质（底物）研究
• 1.4.2.1 基质特性
• 1.4.2.2 底物预处理
• 1.4.2.3 培养基灭菌
• 1.4.3 过程控制参数
• 1.4.3.1 水活度
• 1.4.3.2 通气和传质
• 1.4.3.3 温度
• 1.5 生物浸出
• 1.5.1 生物冶金的概念及发展简史
• 1.5.2 影响细菌浸出的主要因素
• 1.5.2.1 菌种的选择
• 1.5.2.2 培养基组成
• 1.5.2.3 温度
• 1.5.2.4 浸出液的pH值
• 2和CO₂的供给'>1.5.2.5 O₂和CO₂的供给
• 1.5.2.6 离子浓度
• 1.5.2.7 矿料粒度及矿浆中的固体矿物浓度
• 1.5.3 生物浸出方法
• 1.6 本项课题的立题依据、主要研究内容和技术路线
• 1.6.1 本课题的立题依据
• 1.6.2 本课题的主要研究内容
• 1.6.3 本课题的技术路线
• 本章小结
• 第二章 烟曲霉（Aspergillus fumigatus）TH003菌株转化低品位含钾矿物的实验研究
• 前言
• 2.1 材料与仪器设备
• 2.1.1 菌种
• 2.1.2 材料
• 2.1.2.1 原料
• 2.1.2.2 试剂
• 2.1.2.3 含钾矿物试样
• 2.1.2.4 培养基
• 2.1.3 仪器设备
• 2.2 方法
• 2.2.1 菌种活化,孢子液及菌丝球液制备
• 2.2.2 速效钾测定方法
• 2.2.3 烟曲霉TH003菌株固体培养基配方的筛选
• 2.2.4 单因子实验
• 2.2.4.1 矿粉添加量确定
• 2.2.4.2 培养温度确定
• 2.2.4.3 培养时间确定
• 2.2.5 正交实验
• 2.2.6 微生物转化低品位含钾矿物作用机理初探
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 钾浓度的标准曲线
• 2.3.2 微生物作用含钾矿粉钾释出量的计算
• 2.3.3 烟曲霉TH003菌株固体培养基配方的筛选
• 2.3.4 单因子实验结果
• 2.3.4.1 矿粉添加量确定
• 2.3.4.2 培养温度确定
• 2.3.4.3 培养时间确定
• 2.3.5 正交实验结果
• 2.3.6 微生物转化低品位含钾矿物作用机理的初步分析
• 本章小结
• 第三章 硅酸盐细菌对低品位含钾矿物生物浸出作用的实验研究
• 前言
• 3.1 材料与仪器设备
• 3.1.1 菌种
• 3.1.2 材料
• 3.1.2.1 试剂
• 3.1.2.2 含钾矿物
• 3.1.2.3 培养基
• 3.1.3 仪器设奋
• 3.2 方法
• 3.2.1 硅酸盐细菌菌种活化
• 3.2.2 制备硅酸盐细菌种子液
• 3.2.3 硅酸盐细菌生物学特性检测
• 3.2.4 硅酸盐细菌解钾作用观察
• 3.2.5 利用硅酸盐细菌发酵液进行生物浸出
• 3.2.6 样品检测
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 硅酸盐细菌BM03菌株个体形态、培养特征
• 3.3.1.1 个体形态
• 3.3.1.2 硅酸盐细菌BM03菌株的培养特征
• 3.3.2 硅酸盐细菌BM03菌株对含钾矿物的解钾作用
• 3.3.3 生物浸出作用含钾矿粉钾释出量的计算
• 3.3.4 生物浸出作用实验结果
• 3.3.5 硅酸盐细菌对低品位含钾矿物解钾作用机理的初步分析
• 本章小结
• 第四章 含钾矿物生物转化复合工艺的初步研究
• 前言
• 4.1 材料与仪器设备
• 4.1.1 菌种
• 4.1.2 材料
• 4.1.2.1 试剂
• 4.1.2.2 含钾矿物
• 4.1.2.3 培养基
• 4.1.3 仪器设备
• 4.2 方法
• 4.2.1 烟曲霉TH003菌种活化,孢子液及菌丝球液制备
• 4.2.2 硅酸盐细菌BM03菌种活化及种子液制备
• 4.2.3 复合工艺研究
• 4.2.3.1 烟曲霉TH003菌株微生物转化作用
• 4.2.3.2 硅酸盐细菌的生物浸出作用
• 4.2.4 样品检测
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 生物转化作用含钾矿粉钾释出量的计算
• 4.3.2 复合工艺作用结果
• 4.3.3 生物转化复合工艺作用机理的初步分析
• 4.3.3.1 微生物转化低品位含钾矿物作用机理
• 4.3.3.2 生物浸出低品位含钾矿物作用机理
• 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 前言
• 5.1 结论
• 5.1.1 烟曲霉（Aspergillus fumigatus）TH003菌株对低品位含钾矿物的转化作用
• 5.1.2 低品位含钾矿物生物转化作用复合工艺研究
• 5.1.3 复合工艺生物转化作用机理初探
• 5.2 本论文创新之处
• 5.3 展望
• 5.3.1 菌种人工选育和菌剂研制
• 5.3.2 转化工艺的进一步研究
• 5.3.3 终产物的后续加工
• 5.3.4 面向应用的低品位含钾矿物生物加工技术研发
• 本章小结
• 致谢
• 主要参考文献
• 附录