铁细菌胞外多聚物对铁矿物的调控形成及其环境意义

环境介质溶液中铁的水解作用和稳定化作用主要受铁细菌及其代谢有机物质的影响。铁细菌普遍存在于自然环境中,可利用低价铁源为自身生长所需能量。铁细菌胞外有机物的主要组分如多糖和蛋白质等可与铁结合,并通过氧化或沉淀作用使铁稳定、沉积而形成铁矿物;此外铁细菌胞外多聚物可催化铁的氧化或促进铁的聚集。这些生物成因铁矿物因具有良好的表面吸附与氧化还原等化学活性,及有效固定环境中的重金属、放射性核素和催化降解有机污染物的良好环境属性,在环境生物矿物材料和环境治理研究领域被日益重视。故本文基于铁细菌及其胞外多聚物对铁矿物矿化形成的重要调控作用,介绍了环境中存在的铁细菌及其生物矿化特征,重点阐述了铁细菌胞外多聚物(组分、结构及特性)及其在铁矿物矿化过程中的作用,同时对铁细菌胞外多聚物及生物成因铁矿物的环境意义进行了概述。     

天然闪锌矿光催化协同Acidithiobacillus ferrooxidans生长及抑制自身分解作用实验研究

对天然闪锌矿光催化协同下的Acidithiobacillus ferrooxidans生长,以及此过程中天然闪锌矿的光催化作用对其自身分解的影响进行了研究。结果表明,天然闪锌矿的光催化作用能够将光能以电子的形式转移给A.ferrooxidans并且促进了其生长,这一过程以Fe2＋/Fe3＋这一氧化还原对作为媒介;有光照组的A.ferrooxidans细胞浓度达到了8×108 cell/mL,而无光照和体系无电流的2组对照组A.ferrooxidans细胞浓度分别为6×108 cell/mL和4.95×108 cell/mL。通过电感耦合等离子体发射光谱仪测定3组不同条件实验体系中Zn2＋的溶出量可以发现,在光照条件下Zn2＋的溶出量只有3.5×10-6,而无光照条件下Zn2＋溶出量达到了5×10-6。天然闪锌矿光催化作用一方面可以促进A.ferrooxidans的生长,另一方面也能够抑制其自身的分解和金属离子向水体中的释放。研究结果为酸性矿山废水地区抑制硫化物矿物溶蚀提供了新的思路。     

胶质芽孢杆菌胞外多糖在肥料矿物分解转化中的作用

本文探讨了胶质芽孢杆菌胞外多糖在细菌分解转化矿物过程中的作用。将事先提取的胞外粗多糖按一定浓度梯度与矿粉混合,24 h后再次提取多糖称重,证实多糖与矿粉颗粒之间的吸附现象。计算结果表明,矿粉对多糖的吸附随多糖量的增加而呈较明显的增长,之后增幅逐渐趋于平缓。在无氮培养基中添加不同种类矿粉培养细菌,然后分别提取粗多糖和较纯多糖,发现矿物种类对胶质芽孢杆菌多糖的分泌有显著影响。添加含有细菌所需矿质养料的矿粉在培养液中,胞外多糖含量相对增高,说明细菌分泌胞外多糖受到矿物化学组成的影响,即细菌胞外多糖的产生与它们对矿物养料的需求和矿物的风化过程有密切联系。     

Cl-/SO42-铁盐对含可溶性胞外多聚物Acidithiobacillus ferrooxidans溶液中铁矿物形成的影响

铁细菌胞外多聚物作用下聚集的铁可通过氧化或者沉淀作用使铁稳定或沉积,从而形成铁矿物。本文基于铁细菌胞外多聚物(extracellular polymeric substances,EPS)对铁矿物形成的调控作用,介绍了Cl-/SO_4~(2-)的Fe(Ⅲ)或Fe(Ⅱ)盐作用下,含可溶性EPS的氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)溶液中铁矿物的形成,观察了溶液pH值变化及形成铁矿物的矿相与结构,并采用XRD、FTIR和FESEM对其进行表征。结果发现反应溶液中OH-离子可与Fe3+形成微米级"针垫"聚集球状或纳米级小球形施威特曼石和微米级"菱形"块状黄钾铁矾铁矿物沉淀。反应溶液中的可溶性EPS可调控和促进铁矿物的形成,但对Fe2+的氧化未产生影响;外源Fe盐可促进施威特曼石向黄钾铁矾转化。随着Cl-/SO_4~(2-)摩尔比例的增加(即Cl-含量的不断增加),两矿相间的转化明显受到抑制,且铁矿物颗粒之间的集聚作用明显减弱;反之,SO_4~(2-)含量升高时,有利于铁矿物间的转化和聚集球状颗粒形貌结构的形成。     

硅酸盐细菌在矿物表面上的吸附及其选择性——以正长石和黑云母为例

以硅酸盐细菌和正长石、黑云母为实验材料,研究了正长石和黑云母单独存在以及二者共存时,吸附时间和细菌浓度对硅酸盐细菌在其表面上吸附行为的影响。研究结果表明:1)硅酸盐细菌在正长石和黑云母上单位面积吸附量达到最大的时间分别为40min和30min,对应的细菌浓度分别为25×106个/mL和30×106个/mL;2)在细菌浓度相同时,无论是在正长石和黑云母单一矿物体系还是在二者共存体系中,正长石表面的单位面积吸附量始终大于黑云母;3)在正长石和黑云母共存体系中,硅酸盐细菌倾向于选择性吸附在正长石上,而且细菌浓度越大这种倾向越明显。实验结果有可能为研究矿物的微生物风化机理提供重要的信息。     

含钾矿粉对胶质芽孢杆菌分泌胞外多糖的影响

研究了不同实验条件下,含钾矿粉对胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）分泌胞外多糖的影响,以进一步揭示细 菌与矿物的相互作用机理。实验分别采用无矿（不加含钾矿粉）无钾（不含可溶性钾）、无矿有钾（有可溶性钾）、有矿（100 mL培养液加0.3 g含钾矿粉）无钾及有矿有钾4组培养基培养胶质芽孢杆菌,进行产胞外多糖的分析比较。研究发现,在有 钾长石粉但不含钾离子的培养条件下,胶质芽孢杆菌产生的多糖和蛋白质含量最高;在既有钾矿粉又有可溶性钾离子存在 的培养条件下,菌体产生的蛋白质和胞外多糖含量稍低;在无钾矿粉的条件下,无论有没有钾离子的两种培养基中,蛋白 质和多糖含量都很低。研究结果表明,有无钾矿粉的不同培养条件能够引起胶质芽孢杆菌分泌胞外多糖的单糖组成成分产 生明显差异,胶质芽孢杆菌胞外分泌物与细菌对含钾矿粉中钾的利用密切相关。     

多聚磷酸盐在羟基氢氧化铝矿物表面的吸附：基于31P 固体核磁共振技术的机制研究

多聚磷酸盐（Poly-P）是一类非常重要的无机磷酸盐,在自然界广泛存在,研究多聚磷酸盐在自然界的迁移转化对理解磷的生物地球化学循环至关重要。矿物—溶液界面的吸附反应是控制元素在沉积物和土壤中迁移转化的一个关键过程,因此本研究选取在自然界广泛分布的勃姆石（Boehmite）,即羟基氧化铝作为吸附剂,研究了勃姆石在不同初始磷浓度、不同pH条件下对多聚磷的吸附行为和吸附机制。实验结果表明：在实验条件下,随着初始磷浓度的增加,勃姆石对多聚磷的吸附量也随之增加,吸附率均接近100%;而随着pH的升高,勃姆石对多聚磷的吸附量逐渐降低。本研究进一步采用XRD、SEM、³¹P NMR技术对吸附产物进行了表征,核磁共振结果表明勃姆石吸附多聚磷的过程中伴随着多聚磷水解,长链中间的P-O-P键随机断裂,生成了许多短链多聚磷和正磷酸根,两者以内圈络合的形式吸附在勃姆石表面。     

不同初始Fe(Ⅱ)浓度对施威特曼石生物合成的影响

施威特曼石(schwertmannite)已被证实是一种具特异性能的重(类)金属吸附新材料,生物方法合成的施威特曼石由于具备较好的表面吸附性能而受到更多关注。本文通过接种有嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans)的FeSO4-H2O矿物合成体系,研究了不同初始Fe2+浓度对Fe生物转化成施威特曼石效率的影响。结果表明,在Fe(Ⅱ)浓度(FeSO4.7H2O配制)设计为20、40、80和160 mmol/L,接种A.ferrooxidans菌密度达到6.0×107个/mL时,本实验条件下矿物重量y(g)与初始Fe2+浓度x(mmol/L)的关系为y(g)=0.036 67+0.008 520x-8.602.10-6x2;溶液TFe沉淀率y(%)与初始Fe2+浓度x(mmol/L)的关系为y(%)=39.68-0.221 0x+6.653.10-4x2。反应后期溶液中大量残留Fe3+在满足饱和指数SI>0的条件下不能析出矿物沉淀,进一步分析表明,Fe3+水解形成施威特曼石的可能机制是利用了Acidithiobacillus ferrooxidans菌氧化Fe2+释放的能量才得以实现,当Fe2+完全氧化不再供应能量时,Fe生物转化成施威特曼石的反应也达到了最大限度。     

一株胶质芽胞杆菌对磷矿石风化作用的实验研究

以一株质芽孢杆菌为例研究实验条件下微生物对磷矿石的风化作用.以直接作用和间接作用的方式研究培养基中胶质芽孢杆菌对磷矿粉的风化作用,即在装有100目磷矿石粉的液体培养基中接种,研究该菌对磷矿石粉的直接风化作用;同时,将装有100目磷矿石粉的透析袋放入液体培养基中再接入该菌,研究其对磷矿石粉的间接风化作用.按不同时间取培养液上清液,过滤,用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测定滤液中Ca2 、Mg2 、Na 、Mn2 、Al3 、Fe3 和K 等浓度,比色法测定水溶性P(Pws)和水溶性Si (Siws) 的含量;滤膜上的固体物称重并消解后,同上方法测定Ca2 、Mg2 、Na 、Mn2 、Al3 、Fe3 和K 等浓度以及Pws和Siws含量.此外,细菌风化作用后的矿物残渣用电子探针作表面微观形态分析和XRD矿物物相分析.结果表明:胶质芽孢杆菌对磷矿石粉风化的直接作用强度大于间接作用;对不同矿物的风化强度不同,对粘土矿物的风化作用较明显.提出细菌对磷矿石的风化作用源自细菌生长导致的机械破坏作用、胞外分泌物的生化降解作用以及多种因素之间的协同作用.     

一株产铁载体细菌的筛选及其与云母的相互作用

        产铁载体细菌与云母类矿物相互作用的研究有助于了解矿物生物风化和土壤形成的演化规律和机理。采用纯培养法 自南京龙山废钾矿区酸模根际土壤分离筛选到一株高产荧光铁载体的细菌Z6,通过16S rDNA 序列分析和生理生化反应将其 鉴定为假单胞菌属（Pseudomonas sp.）;通过室温静置培养试验研究Z6 菌株与云母的相互作用结果表明,细菌生长代谢前期 （8~15 d）快速产生大量铁载体,菌株与矿物共培养75 d 后,产铁载体细菌对云母类矿物确实产生了风化作用,黑云母组发 酵液中Fe 含量增加了211 倍,Si 含量增加了约27.8 倍,SEM 显示云母表面出现溶蚀坑,细菌可以在矿物表面形成生物膜或 矿物- 细菌复合物。不同矿物对共培养体系中细菌数量、荧光铁载体含量、溶液pH 的影响不同。     

Re-Os同位素体系在蛇绿岩应用研究中的进展

Re-Os不同于由亲石元素构成的同位素体系，在原始上地幔（PUN）部分熔融过程中，母体Re是中等不相容元素，优先进入熔体相，子体Os是强相容元素，富集在残留相中，是研究蛇绿岩的极好示踪剂。在蛇绿岩应用研究中已经取得了4个方面的进展：（1）明确了熔体相的Re／Os和^187Os／^188Os比值高，而残留相的低；（2）铬铁矿中铂族元素矿物（PGM）的Re亏损年龄（TRD）证实了蛇绿岩中复杂的超镁铁岩体是多阶段部分熔融的产物；（3）现代大洋橄榄岩和玄武岩的Re-Os同位素研究表明熔体相和残留相的^187Os／^188Os比值在高于亏损地幔值（DMM）的部分是一致的，而低于DMM的存在不一致性，为研究蛇绿岩中熔体相与残留相是否存在“耦合”关系提供了新的制约因素；（4）揭示了蛇绿岩地幔橄榄岩中含有古大陆岩石圈地幔，这是前所未知的。虽然取得了不少进展，但是由于Re-Os同位素体系用于蛇绿岩研究的时间较短，尚存在一些问题，如显生宙蛇绿岩地幔橄榄岩的定年问题，有待进一步深化研究。     

基于小波的被动声纳降噪研究

基于小波的降噪理论,研究了水下舰船辐射噪声的被动声纳降噪问题。通过对船辐射噪声的建模和仿真,分析对比了不同方法对舰船辐射噪声信号降噪的效果,并利用各种小波基和采用不同阈值条件下对信号进行降噪处理的效果。该研究在分析对比的基础上,进行小波包软阈值去噪并且取得了较好的效果,对被动声纳降噪提供了较好的应用前景。     

基于破坏概率的滑坡稳定性分析

综述了概率分析法的基本原理和实施方法,并运用Monte carlo模拟对滑坡的破坏概率进行了模拟分析。在探讨具体工程实例的基础上,提出了计算机处理滑坡稳定性的程序设计方法。实践表明,滑坡的破坏概率分析是滑坡稳定性评价的有效手段之一。      

基于概率方法的滑坡稳定性分析

本文概述了滑坡破坏概率分析的基本原理.以三峡库区的龙王庙滑坡为例,论述了地下水对滑坡的作用,进行了滑坡的破坏概率分析,分析结果表明,该滑坡在库水位骤降初期有较高的破坏概率,必须进行治理.     

地下水在弱膨胀性土边坡稳定中的影响

地下水是影响边坡稳定一个重要因素,主要体现为内、外两个方面的影响。经常考虑的地下水对边坡地层重度、强度等方面的影响属于内的方面;地下水还可能对边坡岩土体产生如浮托力、静水压力、动水压力、渗透力等附加力属于外的方面。通过对一弱膨胀性土边坡失稳各阶段、各影响因素下的分析,阐述了地下水在弱膨胀性土边坡稳定分析中内、外方面的不利影响。并得出结论：在边坡稳定分析时,仅考虑地下水对地层重度、抗剪强度等指标的影响,其分析结果偏于不安全;尤其是边坡地层为弱膨胀性土时,浸水后强度大幅下降,应采用浸水试验指标进行边坡稳定性复核;其次还应考虑地下水渗流排泄对边坡产生的附加荷载。     

中德合作三江源区和甜水海地区多年冻土退化过程科学考察和研究进展

为准确了解青藏高原多年冻土退化过程及其环境效应,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和德国海德堡大学环境物理研究所共同组成科研小组,先后对我国三江源区、西昆仑甜水海地区进行了多年冻土退化过程的前期勘察研究工作.首次在人烟稀少的玉树-不冻泉沿线等地建立了3个长期综合观测研究站.在技术手段上,除应用常规的坑探、水土取样、水分现场观测、地面调查外,主要应用了最新的双天线、多回路探地雷达勘测技术,对不同地貌条件下的活动层结构特征、上限附近冻土结构、冷生组构等诸多方面进行了快速勘察,同时还进行了水分场分布规律、盐份迁移过程的初步研究.研究结果表明:地表景观特征对热质迁移规律、地温场具有重要影响;青藏高原新疆甜水海地区的低温(<-4℃)冻土与高原东部和腹地的高温(>-1℃)冻土在地质背景和地下冰发育情况等方面有所区别;甜水海地区生态环境在过去30多年的时间里已发生重大改变:地表植被发生大面积退化,地表普遍发生不同程度盐渍化;在该地区发现大量小型冻胀丘、石环等冰缘现象的存在.探地雷达勘察结果显示,地表地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化均对多年冻土上限变化和地下冰的赋存产生重要影响.     

孔隙压力对碳酸盐岩储层声学特性的影响研究

与传统的砂岩、泥岩不同,缝洞型碳酸盐岩具有较强的非均质性及各向异性,因此利用传统的方法对其进行孔隙压力预测尤为困难。利用声学信息进行孔隙压力预测是一种有效的预测方法,研究孔隙压力对碳酸盐岩储层声学特性的影响,具有重要的理论意义和应用价值。通过对孔洞发育程度不同的缝洞型碳酸盐岩进行不同孔隙压力下的声学实验测试,在实验的基础上,分析了不同孔隙流体压力条件下岩心的声波时差、衰减系数、时频特性,得到了孔隙压力与不同类型碳酸盐岩纵横波时差及衰减系数之间的关系;探讨了孔隙压力对不同类型碳酸盐岩纵横波在时域及频域上的影响。此研究为利用声学特性对碳酸盐岩储层孔隙压力预测提供了借鉴。     

洞庭湖萎缩对湖内洪水影响

为了更好地理解湖泊萎缩对湖内洪水过程的影响,在假定洞庭湖将继续萎缩的前提下,通过建立荆江-洞庭湖水动力模型,定量分析洞庭湖萎缩对湖内洪水的影响。研究结果表明,湖内水位及洪峰流量随湖泊面积的萎缩而增加,洪峰水位到达时刻随着湖泊萎缩而提前。若遇1996年型洪水,洞庭湖面积若从目前的2 670 km2减小至1 380 km2时,西洞庭湖及南洞庭湖内最高水位将抬高2.0 m左右,东洞庭湖水位将抬升0.4 m左右,城陵矶站点洪峰水位到达时刻将提前约11 h,洪峰流量增加约4 800 m3/s。因此,若洞庭湖湖泊面积在目前基础上（面积2 670 km2）继续萎缩,湖区特别是西洞庭湖及南洞庭湖将面临更为严峻的洪水灾害。虽然湖泊萎缩对西洞庭湖与南洞庭湖内水面坡降影响较小,但东洞庭湖内水位同时受湖泊萎缩及长江来流的影响,水面坡降发生较大变化,在距离蔡家洲80~110 km（鹿角站附近）河段水面坡降出现大幅增大。     

青藏高原东缘活动断裂地质灾害效应研究

活动断裂的地质灾害效应是工程地质与地质灾害领域研究的重要内容。本文以第四纪以来构造活动最强烈的青藏高原东缘为例,阐述了活动断裂地质灾害效应的主要表现形式,包括:(1)活动断裂对地形地貌和岩体结构的影响;(2)断裂剧烈活动(地震)诱发地质灾害;(3)断裂蠕滑作用对斜坡应力场和稳定性的影响;(4)断裂活动是地质灾害链的源头,为地质灾害提供物源。上述表现形式及灾害成因机理和分布规律是活动构造区地质灾害防治中需要关注的关键问题。根据青藏高原东缘典型地质灾害案例研究提出,内外动力耦合作用成灾机理是未来地质灾害研究方向,将为活动构造区地质灾害早期识别和防灾减灾提供理论依据。     

Speculations on the evolution of the lithosphere

The rate of thickening of the lithosphere has varied through geological time. Plate tectonics did not begin until about 1000 Ma ago, because eclogite was not stable in oceanic crust prior to that time. Geological data (presence of continental margins and rift-zones, paleomagnetic polar-wander curve, age and distribution of andesites) are used as a guide to extrapolate back in time the data available on the present lithosphere and on present geothermal gradients. These speculations are meant to focus attention on constraints that must be respected by models for Precambrian evolution of the crust.