含镁硅酸盐矿物的微生物风化作用研究

论文摘要

微生物对矿物的风化作用既是理论研究课题,也与经济发展密切相关。本文主要研究了胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）和烟曲霉（Aspergillus fumigatus）对碱性含镁硅酸盐矿物—蛇纹石和橄榄石的风化作用过程及相关作用机理。通过设置菌体、灭活菌、培养基和纯水四组不同对比,采用静置和振荡两种培养方式对矿物进行风化作用30d,分别于第0、5、10、20、30d取样,采用ICP-OES、SEM、EDS、TEM、X-射线衍射、GC-MS和高空间分辨X-射线成像等技术手段来进行观察和分析研究。研究结果表明,真菌作用矿物试样释放镁离子的能力约是细菌作用矿物试样的两倍,细菌和真菌作用的矿物试样释放镁离子浓度都呈现规律性变化,细菌风化结果显示在第10d左右镁离子浓度最高,而真菌风化结果显示在第20-30d期间镁离子浓度最高,说明胶质芽孢杆菌在生长后期利用的镁离子相对较多,这与细菌的生长变化趋势相符。电镜观察结果说明细菌和真菌的作用方式不同,细菌作用矿物是通过其分泌的多糖等胞外聚合物把矿粉粘结聚集在一起进行作用:而真菌则是通过菌丝体附着,包裹矿粉颗粒进行作用的,甚至有矿粉颗粒进入菌丝内部。X-射线衍射测定结果表明微生物是通过破坏矿物的晶体结构对矿物进行风化作用的。矿物试样风化液pH值变化和GC-MS分析结果说明菌体在生长过程中有机酸等代谢产物（主要是丁酸甲酯、甲酸和乙酸）对矿物的风化起重要作用。采用高空间分辨X-射线成像技术分析细菌作用蛇纹石试样,从三维空间角度展现了蛇纹石矿物被细菌风化的具体过程。对于蛇纹石和橄榄石两种不同结构的矿物,细菌和真菌作用无论在释放镁的能力,微观形态,矿物晶体结构的改变程度,代谢产生有机酸的种类和数量以及溶液电导率等方面都表现出蛇纹石比橄榄石更容易被微生物风化。本文研究结果为含镁硅酸盐矿物与微生物的相互作用研究提供了基础资料,为进一步研究含镁硅酸盐矿物的利用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微生物对矿物风化作用的研究概述
• 1.3 硅酸盐细菌研究概况
• 1.3.1 硅酸盐细菌的研究现状
• 1.3.2 硅酸盐细菌与矿物相互作用的研究
• 1.3.3 硅酸盐细菌对矿物风化作用机理研究
• 1.4 硅酸盐矿物简介
• 1.4.1 蛇纹石
• 1.4.2 橄榄石
• 1.5 本课题研究的目的、意义和主要内容
• 1.5.1 本课题研究的目的意义
• 1.5.2 本课题研究的主要内容
• 小结
• 第二章 胶质芽孢杆菌对蛇纹石和橄榄石风化作用研究
• 2.1 材料与仪器设备
• 2.1.1 菌种
• 2.1.2 含镁硅酸盐矿物试样—蛇纹石和橄榄石
• 2.1.3 试剂
• 2.1.4 制备试样的仪器设备
• 2.1.5 高空间分辨 X-射线成像设备
• 2.1.5.1 高空间分辨X-射线成像线参数
• 2.1.5.2 高空间分辨X-射线成像过程及原理
• 2.1.5.3 高空间分辨X-射线成像三维重构技术原理
• 2.2 方法
• 2.2.1 菌种的培养与制备
• 2+、Si浓度试验'>2.2.2 胶质芽孢杆菌风化蛇纹石和橄榄石释放Mg²⁺、Si浓度试验
• 2.2.3 胶质芽孢杆菌作用蛇纹石和橄榄石试样形态观察
• 2.2.4 高空间分辨X-射线成像试样的制备
• 2.2.5 胶质芽孢杆菌作用蛇纹石和橄榄石矿物X-射线衍射分析
• 2.2.6 岩石风化试样中胶质芽孢杆菌的生长状况变化试验
• 2.3 结果与讨论
• 2+、Si浓度分析'>2.3.1 蛇纹石和橄榄石试样释放Mg²⁺、Si浓度分析
• 2+浓度'>2.3.1.1 蛇纹石和橄榄石试样释放Mg²⁺浓度
• 2.3.1.2 蛇纹石和橄榄石试样释放Si浓度
• 2+、Si浓度对比分析'>2.3.1.3 细菌作用蛇纹石和橄榄石释放Mg²⁺、Si浓度对比分析
• 2.3.2 胶质芽孢杆菌作用蛇纹石和橄榄石试样形态观察
• 2.3.2.1 宏观形态
• 2.3.2.2 SEM形态
• 2.3.2.3 三维形态
• 2.3.3 胶质芽孢杆菌作用蛇纹石试样高空间分辨X-射线成像分析
• 2.3.3.1 试样结果描述
• 2.3.3.2 细菌作用蛇纹石试样的三维成像分析
• 2.3.3.3 细菌作用蛇纹石试样的微观过程分析
• 2.3.4 胶质芽孢杆菌作用蛇纹石和橄榄石试样X-射线衍射分析
• 2.3.4.1 蛇纹石试样X-射线衍射分析
• 2.3.4.2 橄榄石试样X-射线衍射分析
• 2.3.5 细菌风化蛇纹石和橄榄石过程中细菌的生长状况分析
• 小结
• 第三章 胶质芽孢杆菌对蛇纹石和橄榄石风化作用机理的研究
• 3.1 材料与仪器设备
• 3.1.1 菌种
• 3.1.2 含镁硅酸盐矿物—蛇纹石和橄榄石
• 3.1.3 试剂
• 3.1.4 仪器设备
• 3.2 方法
• 3.2.1 试样的制备
• 3.2.2 不同培养方式对细菌作用矿粉的影响试验
• 3.2.3 细菌作用矿粉试样pH值的测定
• 3.2.4 代谢产物的测定
• 3.2.5 液体的溶蚀作用和无机物的作用
• 3.2.6 微生物体及其分泌物等胞外聚合物的作用
• 3.2.7 试样电导率的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同培养方式对细菌作用矿粉的影响
• 3.3.2 细菌对矿粉的酸溶作用
• 3.3.3 代谢产物的作用
• 3.3.3.1 蛇纹石和橄榄石试样产生的有机酸对比
• 3.3.3.2 蛇纹石和橄榄石试样对照组产生有机酸对比
• 3.3.3.3 蛇纹石和橄榄石试样随时间的变化产生有机酸对比
• 3.3.4 液体的溶蚀作用和无机物的作用
• 3.3.5 微生物体及其分泌物等胞外聚合物的作用
• 3.3.6 电导率的变化反映细菌对蛇纹石和橄榄石的作用
• 小结
• 第四章 烟曲霉对蛇纹石和橄榄石风化作用的研究
• 4.1 材料与仪器设备
• 4.1.1 菌种
• 4.1.2 含镁硅酸盐矿物—蛇纹石和橄榄石
• 4.1.3 试剂
• 4.1.4 仪器设备
• 4.2 方法
• 4.2.1 菌种的培养与制备
• 2+、Si浓度试验'>4.2.2 蛇纹石和橄榄石试样释放Mg²⁺、Si浓度试验
• 4.2.3 蛇纹石和橄榄石试样的SEM形态观察及能谱分析
• 4.2.4 蛇纹石和橄榄石试样的TEM形态观察
• 4.2.5 蛇纹石和橄榄石试样代谢产物的测定
• 4.3 结果与讨论
• 2+、Si浓度分析'>4.3.1 蛇纹石、橄榄石试样释放Mg²⁺、Si浓度分析
• 2+、Si浓度'>4.3.1.1 蛇纹石试样释放Mg²⁺、Si浓度
• 2+、Si浓度'>4.3.1.2 橄榄石试样释放Mg²⁺、Si浓度
• 4.3.2 烟曲霉作用蛇纹石和橄榄石试样pH值的变化
• 4.3.3 烟曲霉风化蛇纹石和橄榄石试样的SEM形态观察及能谱分析
• 4.3.3.1 蛇纹石试样的SEM形态及能谱的变化分析
• 4.3.3.2 橄榄石试样的SEM形态及能谱的变化分析
• 4.3.4 烟曲霉风化蛇纹石和橄榄石试样的TEM形态观察
• 4.3.4.1 蛇纹石试样TEM形态分析
• 4.3.4.2 橄榄石试样TEM形态分析
• 4.3.5 烟曲霉作用蛇纹石试样代谢产物的测定
• 4.3.6 烟曲霉作用蛇纹石和橄榄石的机理分析
• 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.1.1 胶质芽孢杆菌对蛇纹石和橄榄石风化作用的研究
• 5.1.2 胶质芽孢杆菌对蛇纹石的微观作用过程分析
• 5.1.3 胶质芽孢杆菌对蛇纹石和橄榄石风化作用机理的研究
• 5.1.4 烟曲霉对蛇纹石和橄榄石风化作用的研究
• 5.2 论文亮点
• 5.2.1 选取研究材料方面的创新
• 5.2.2 试验方法上的创新
• 5.3 展望
• 2+浓度和其风化速率有待提高'>5.3.1 蛇纹石和橄榄石风化释放Mg²⁺浓度和其风化速率有待提高
• 5.3.2 风化机理有待进一步研究
• 小结
• 致谢
• 参考文献
• 附录