矿物的微生物风化地球化学研究－－以磷矿石和方解石为例

微生物与矿物间的相互作用是自然界中广泛发生的一种地质作用，微生物直接参与了自然界的物质循环，微生物对矿物风化作用的过程和机理与矿物种类、菌种及环境条件密切相关。目前还缺乏对矿物风化微观过程及风化过程中微生物生理生化特征的研究资料，随着分子生物学理论与技术的快速发展，用地球化学结合微生物学与分子生物学的理论和方法来综合研究微生物的矿物风化过程已成为可能。从分子水平和微观作用过程研究其风化过程与机理，理解微生物与矿物界面之间的相互作用及其反馈机制，是表生作用过程中生物地球化学的重要研究内容。 选用胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）、黑曲霉（Aspergillus niger）和青霉（Penicillium sp.），以磷矿石和方解石为例，探讨实验条件下微生物对矿物的风化作用过程与机理。微生物对矿物风化作用具有能耗低、污染小和流程短等特点，充分利用这些特点是解决土壤中无效磷的有效利用、磷矿资源的开发以及减少环境污染等问题的有效途径，对矿产资源的可持续利用和建立健康的生态环境具有十分重要的意义。采用离子色谱、ICP-OES、XRD、TEM、EDS、2-DE、电子探针和MC-ICP-MS等分析测试手段，研究微生物对矿物的风化过程与机理，得到如下结果： (1) 在黑曲霉对磷矿石风化过程中，由黑曲霉生长引发的生物机械破坏作用和生物化学降解作用是对磷矿石风化的主要趋动力，包括菌丝生长对矿物的穿插作用以及机械剥蚀作用；此外，菌体及生物大分子形成生物膜覆盖在矿物表面形成易于发生生化降解的微环境，有机酸络合Ca生成次生矿物草酸钙促进了磷矿石的风化。磷矿石直接与菌体接触所发生的风化作用强于磷矿石装入透析袋中的间接风化作用。 (2) 在胶质芽孢杆菌对磷矿石的风化过程中，菌体及其胞外多糖类物质在矿粉表面形成生物膜、菌体生长、代谢产物及有机物的机械剥蚀破碎作用等是造成矿物风化的重要原因；磷矿石直接与菌体接触进行的风化作用强于磷矿石装入透析袋中的间接风化作用。 (3) 黑曲霉对磷矿石的风化作用强于胶质芽孢杆菌，两者对磷矿石进行风化时，生物物理风化作用是导致矿物风化的主要因素；胶质芽孢杆菌风化磷矿石的过程中没有草酸钙的产生。 (4) 胶质芽孢杆菌对磷矿石的风化过程中，菌体蛋白质的表达发生变化，蛋白质的量与质的变化与磷矿石的风化密切有关。磷矿石的加入导致菌体生理代谢途径改变以适应环境的变化，并分泌相关的蛋白质导致矿物的风化。 (5) 采用Sr同位素示踪研究黑曲霉与青霉对磷灰石和方解石混合物的风化差异。黑曲霉作用混合矿物的初期，培养液pH值相对较低，对其中方解石有风化作用；中后期由于pH值升高，对磷灰石有较强的风化作用,对磷灰石的风化是由黑曲霉产生的大分子有机物对磷灰石中Ca络合的结果。青霉与混合矿物发生相互作用时，在最初的很短时间内青霉对磷灰石有风化作用，但对方解石的风化作用却表现在整个风化作用时间段，相比而言，青霉对磷灰石的风化作用不明显。这种风化差异与真菌的生物学特性有关，并表现为微生物对矿物风化的选择性。 本项研究对进一步认识土壤植被生态系统中的磷循环规律和循环过程中微生物所起的作用，以及用微生物风化作用的方式促进磷矿资源开发利用具有重要理论和实际意义。