硫酸盐还原菌及异化铁还原菌对 黄钾铁矾还原作用的对比

选取酸性矿坑水环境中常见的次生含铁硫酸盐矿物———黄钾铁矾[KFe3(SO4)2(OH)6]为研究对象,用硫酸盐还原菌 Desulfovibriovulgaris 和异化铁还原菌Shewanellaputrefaciens CN32对其进行还原实验,探讨作为重金属治理潜在材料的 黄钾铁矾的微生物稳定性.实验采用非增长型培养基,在中性、厌氧、30℃的条件下进行.采用湿化学方法测量水溶液及还原产 生的总Fe2+ ,利用X射线衍射(X-raydiffraction,简称XRD)来分析反应后残余固体物质的矿物组成,用扫描电镜(scanning electronicmicroscopy,简称SEM)观察固体残余物的形貌特征.结果表明,没有微生物的参与,黄钾铁矾的稳定性较好.异化铁 还原菌S.putrefaciens CN32和硫酸还原菌D .vulgaris 在营养极其匮乏的中性厌氧条件下均能还原黄钾铁矾晶格中的 Fe3+ ,显示出黄钾铁矾被微生物还原的可能性.S.putrefaciens CN32还原黄钾铁矾晶格中Fe3+ 的最大还原速率和最终Fe3+ 还原率分别为0.001mmol·L-1·h-1和0.37%.与S.putrefaciens CN32不同,D .vulgaris 对黄钾铁矾的还原能力较强,不 含有电子穿梭体(Anthraquinone-2,6-disulfonate,简称AQDS)的实验体系中Fe3+ 的最大还原速率和最终Fe3+ 还原率分别为 0.017mmol·L-1·h-1和16.80%,而添加了AQDS的实验体系的则分别达到了0.026mmol·L-1·h-1和24.30%,这可能与 黄钾铁矾中含有SO42- 有关.D .vulgaris 优先还原黄钾铁矾晶格中的SO42- 产生的H2S是强还原剂,也可促进Fe3+ 的还原, 微生物以及H2S的双重作用可能是导致D .vulgaris 体系中Fe3+ 还原率较高的原因.XRD分析表明,黄钾铁矾经过S.putrefaciens CN32的作用,物相没有发生变化;而经过D .vulgaris 作用后,黄钾铁矾的特征峰消失,固相残余物中出现了菱铁 矿(FeCO3)、蓝铁矿[Fe3(PO4)2·8H2O]等次生矿物.由于培养基中没有添加任何的磷酸盐,因此蓝铁矿的出现可能是由于培 养基中添加的少量酵母浸膏降解后产生的磷酸根与D .vulgaris 还原黄钾铁矾产生的Fe2+ 相互作用的结果.这些认识对深入 理解地球表层铁的生物地球化学循环具有重要意义,为矿山环境重金属的污染治理提供了实验依据.      

微生物对绿脱石中有机质利用的研究

为了探索黏土矿物中含有的有机质能否被微生物利用以及微生物利用的效率,本文选取富三价铁的黏土矿物绿脱石NAu-2为还原对象,嗜热菌Thermus scotoductus SA-01,以及常温菌Shewanella putrefaciens CN-32为异化铁还原菌,分别在没有外加碳源的情况下对NAu-2结构铁进行还原。实验选取化学方法来测试Fe3+还原程度与还原速率,利用X射线粉晶衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱分析仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)对黏土矿物还原产物进行矿物学表征,利用总碳/氮分析仪测试黏土矿物释放出来的溶解碳总量以及高效液相色谱仪来分析不同有机组分的含量。实验结果表明相对于常温菌CN-32,嗜热菌SA-01可以有效利用绿脱石中含有的微量有机质作为碳源。由此可知,黏土矿物经微生物作用后发生还原溶解,其吸附的有机质会随着溶解程度的升高不断释放到周围环境中;黏土矿物含有的有机质组分成分复杂,在不同温度环境下释放出来的有机质速率与种类有所不同。     

微生物降解蒙脱石层间吸附有机质的实验研究

近年来,国内外学者意识到,有机质在蒙脱石结构层间的吸附是有机质保存的重要机理之一,然而,目前关于微生物能否降解蒙脱石层间吸附有机质以及降解的程度等尚没有任何实验数据的支撑。本文试图通过人工合成含有层间吸附有机质的蒙脱石,利用海洋和湖泊沉积物中常见的降解有机质的微生物对其进行降解实验,据此探讨有机质的蒙脱石层间吸附在沉积物埋藏过程中对有机质保存的贡献。有机质选择半胱氨酸和甲苯,前者是生物生长所需的一种重要氨基酸,后者大量存在于土壤和沉积物中,多种细菌可以在有碳氢化合物的环境下将其降解。实验菌种选择恶臭假单胞杆菌(Pseudomonas putida)和腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens CN32)2种细菌,它们均为海洋和湖泊沉积物中的主导微生物,前者有较强的有机质降解能力,后者为铁的还原菌,厌氧代谢过程中能将蒙脱石结构中的Fe(III)还原为Fe(II)。通过上述不同菌种对蒙脱石层间吸附不同性质有机质的降解实验,结果显示,微生物对蒙脱石层间吸附的有机质的降解方式主要有分泌有机酸直接降解和破坏层间结构释放有机物从而进行降解。代表菌种假单胞菌和希瓦氏菌对半胱氨酸绿脱石及甲苯绿脱石的作用表明,微生物通过分泌有机酸的形式对蒙脱石层间吸附的有机质降解作用很有限,该结构在恒定的有氧和无氧条件下对保存有机质有利;希瓦氏菌在严格无氧条件下通过还原Fe(III)进行代谢,实验表明,无氧条件下,希瓦氏菌可以一定程度破坏矿物结构,释放并消耗有机物,因此,铁还原微生物对蒙脱石层间吸附有机质的保存有一定的影响,但由于微生物对矿物晶体结构的破坏能力有限,故其对层间吸附有机质降解的能力也有限;不同有机物对生物降解过程也有影响,这些影响取决于有机质的特性及有机质与细菌之间的相互作用。绿脱石层间吸附的半胱氨酸对生物生长有利,从而可能促进生物还原Fe(III)作用。相反,甲苯却很明显的抑制了Fe(III)的还原。由此可见,有机质的蒙脱石层间吸附是有机质保存的重要方式之一。     

影响高岭土中Fe(Ⅲ)生物还原的因素

考察不同因素对异化铁还原菌(Dissimilatory Iron Reducing Bacteria,DIRB)还原高岭土中Fe(Ⅲ)的影响,通过在底液中添加不同有机酸、草酸盐、络合剂和重金属离子来研究微生物还原铁的机制。结果发现,添加草酸对微生物还原铁有明显的促进作用,而乙酸和水杨酸则抑制了微生物的生长;添加草酸钠的实验表明草酸对微生物的促进作用是通过草酸根离子的作用而与草酸的酸性并无联系;络合剂(NTA)可以提高微生物异化铁还原量,而EDTA不影响铁还原的作用;Cu(Ⅱ)对微生物具有毒害作用从而抑制了微生物的还原活性,Mn(Ⅱ)对铁的还原则有明显的促进作用。此外,采用logistic方程对有促进作用的曲线进行拟合,发现添加草酸钠对微生物的还原铁促进作用最大。     

Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统还原有机污染物的研究进展

在土壤和沉积物的自然厌氧环境中,铁氧化物可被铁还原菌等微生物异化还原产生Fe(Ⅱ),形成的Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统具有还原活性,可使有机污染物还原转化。综述了含卤和含硝基有机污染物的非生物还原转化过程和表面结合铁系统与有机污染物之间的界面反应机理,进而揭示了污染物在环境中的赋存状态和迁移转化规律;重点分析了影响该还原过程的因素,如铁氧化物类型、pH值、Fe(Ⅱ)与铁氧化物接触时间,以及过渡金属、腐殖酸等竞争因子对反应过程的影响。强化自然界中天然的Fe(Ⅱ)/铁氧化物表面结合铁系统在有机污染治理中的作用,在受污染环境修复领域具有广阔的应用前景。 [HT5H]关 键 词:[HT5K]     

土壤游离态Fe(Ⅱ)催化氧化铁矿物晶相转变的Fe原子交换机制

<正>氧化铁作为高活性矿物的重要内因是以变价元素铁构成的氧化铁循环过程活跃。土壤铁循环是一个特殊微生物驱动的生物地球化学过程,长期以来普遍认为,以氧化铁矿物为末端电子受体、铁还原菌通过氧化电子供体藕联的氧化铁异化还原过程[1],与以游离态Fe(II)为电子受体、铁氧化菌作用产生的Fe(II)微生物氧化成矿过程[2],组成了完整的铁循环链[3](图1过程I和II)。1980年底有研究发现,厌氧条件下游离态     

腐殖酸对微生物还原绿脱石结构Fe(Ⅲ)的促进作用

微生物介导的铁循环是调控地表有害物质迁移转化等地球化学反应的关键因子之一。为了探明腐殖酸对微生物还原含铁黏土矿物的影响,选取了富铁黏土矿物绿脱石和不同土壤中提取到的腐殖酸为研究对象进行了实验,在有、无腐殖酸2种条件下对比了典型异化铁还原菌Shewanella putrefaciens CN32对绿脱石结构Fe(Ⅲ)的还原效率,同时分析了微生物作用后绿脱石的晶体结构差异。实验采用化学方法检测Fe(Ⅲ)的还原程度,利用X射线粉晶衍射(XRD)及傅里叶转换红外光谱(FT-IR)对微生物作用前后的绿脱石进行了矿物学表征,利用扫描电镜(SEM)研究了反应前后绿脱石的形貌差异。实验结果表明不同来源的腐殖酸均具有促进微生物还原绿脱石结构Fe(Ⅲ)的能力,但其促进效率存在差异。绿脱石中的结构Fe(Ⅲ)经微生物还原后,其矿物结构被破坏,结晶程度逐渐降低,矿物形貌由不规则片状变为松散疏松的网絮状。本研究对深入理解自然环境中铁的生物地球化学循环及其环境效应具有启示意义。     

二价铁氧化对铁锰循环功能微生物活性的影响及机制

地质微生物是沉积环境中铁、锰氧化还原循环的主要驱动因子,铁锰共存环境中二价铁氧化对不同铁、锰循环功能微生物活性的影响差异和机制尚不清楚.以铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1、铁氧化菌Pseudogulbenkiania sp.strain 2002、锰氧化菌Pseudomonas putida MnB1和Leptothrix discophora SS-1作为代表性的铁、锰循环功能微生物,利用平板计数、荧光显微镜等手段探究了Fe(II)氧化对功能微生物活性的影响差异及机制.结果表明0.05 mM Fe2+氧化60 min可使MR-1和MnB1的活菌数量降低4~5个数量级,SS-1及S.2002无显著失活.Fe(II)氧化产生的吸附态。OH和胞内。OH是细菌失活的主要原因,胞外H₂O₂、胞外游离态。OH和三价铁氧化物是细菌失活的次要原因,SS-1及S.2002产生了氧化应激反应,成功抵御了活性氧化物种.      

微生物铁还原作用对蒙脱石保存有机物的影响:以硫酸盐还原菌为例

本文研究了微生物的铁还原作用对黏土矿物有机质保存的影响。将一种有机化合物(十二氨基十二酸)插层到一种富铁的蒙脱石(绿脱石)中,利用硫酸盐还原菌(Desulfovibrio vulgaris)分别对插层前后的绿脱石进行作用,以研究该菌对绿脱石结构中Fe3+的还原作用以及层间有机物的影响。结果发现,1Desulfovibrio vulgaris能够还原这2种绿脱石结构中的Fe3+,且电子穿梭体AQDS(蒽醌-2,6-二磺酸)能够增强还原速率和程度;2硫酸盐的存在能够增加还原速率和程度,表明还原过程中生成的硫化物与绿脱石结构中的Fe3+发生了化学还原作用;3通过X射线衍射、红外光谱、总有机碳分析表明,还原后的绿脱石,其结构层内仍有大量有机物,具有一定的稳定性和保存层间有机质的能力。     

高温微生物铁还原条件下绿脱石对有机质的保存作用研究

粘土矿物在地表环境中广泛存在,并且与环境中的有机质紧密结合在一起。前人的研究发现,粘土矿物的可膨胀层间域可以有效地保存有机质,防止其在微生物诱导的氧化还原环境的波动的环境中被矿化。然而这一过程在高温条件下是否同样成立尚属未知。本文选取一种代表性有机质12-氨基十二酸(ALA)与典型含铁粘土矿物绿脱石(NAu-2)合成有机质-粘土矿物复合体,在两株高温-超高温铁还原细菌的作用后,通过多种水化学和矿物学的表征手段,研究其矿物结构的变化、有机质的结合稳定性和脱附情况。结果发现细菌对绿脱石结构铁的还原过程中造成的矿物结构的破坏(还原性溶解)是控制ALA从NAu-2中脱附的主要原因。高温条件也会略微促进ALA从NAu-2的层间域中脱附出来。总体来说,受限于微生物对结构铁的还原程度(30%),最终在结构铁还原反应结束后还是有相当大量的ALA在层间保存了下来。这一结果证明了粘土矿物的层间域在高温条件下同样也能够作为有机质保存的有效场所。     

Physico/chemical stability of smectite clays

There is convincing evidence from field data that smectite clay undergoes conversion primarily to illite and chlorite if it is fully water-saturated and heated. The conversion may take place through mixed-layer formation with increasing illite/smectite ratio at higher temperatures and pressures. This process requires dehydration of the interlamellar space, for which either an external pressure or drying are needed. An alternative mechanism that takes place without dehydration, is dissolution of smectite and neoformation of illite. Both processes imply reorganization of the smectite crystal lattice for which the activation energy is fairly high, meaning that the conversion is negligible at temperatures lower than about 60°C. At elevated temperatures the conversion rate is controlled by the access to potassium for either mechanism.

An ongoing detailed investigation of this subject has led to a tentative model for the smectite-to-illite conversion in natural sediments and in canister-embedding clay in high-level radioactive waste (HLW) repositories.     

Study of the Stacking Sequences of an Irregular Mixed—Layer Illite / Smectite (I / S) Clay Mineral1

Abstract There are two aspects in the study of irregular mixed—layer clay minerals: one is the kinds and ratios of their basic structural unit layers and the other is the junction probabilities of the unit layers. Irregular mixed—layer illite / smectite clay minerals (I / S) are widespread in nature. While studying the clay minerals from the Permian—Triassic (P / T) boundary bed, the authors found that I / S clay minerals are developed in all P / T boundary clay layers in areas from the northwest to southeast of China. Systematic mineralogical studies of the I / S clay minerals from Hunan, Hubei, Sichuan and Zhejiang were made by means of X—ray, infrared spectroscopic, electron microscopic and chemical analyses and a deepened study of the stacking sequences of their structural unit layers was conducted by the MacEwan one—dimentional direct Fourier transform. It was found that the stacking of the illite and smectite crystal layers along the c axis can be derived from Fibonacci sequences. Hence, the authors propose that such I / S clay minerals are possessed of two—dimentional crystal lattice and one—dimentional quasicrystal lattice.     

中国二八面体含铝蒙皂石矿物化学和晶体化学的特征

通过对我国６４个二八面体含铝蒙皂石矿物化学及晶体化学数据的统计分析，研究了它们的矿物化学及晶体化学的基本特征，并得出八面体组分是影响蒙皂石矿物学及物理化学性质的主要因素，在此基础上，利用ＡｌＡｌ－ＡｌＦｅ－ＡｌＭｇ三角图划分了我国二八面体含铝蒙皂石的晶体化学类型，并对原分类图进行了模式化处理，使ＡｌＡｌ－ＡｌＦｅ－ＡｌＭｇ图更具实际意义，蒙皂石的阳离子交换容量与晶体化学模型有对应性，并受八面体三价     

Deposition of talc — kerolite–smectite — smectite at seafloor hydrothermal vent fields: Evidence from mineralogical,geochemical and oxygen isotope studies

Talc, kerolite–smectite, smectite, chlorite–smectite and chlorite samples from sediments, chimneys and massive sulfides from six seafloor hydrothermal areas have been analyzed for mineralogy, chemistry and oxygen isotopes. Samples are from both peridotite- and basalt-hosted hydrothermal systems, and basaltic systems include sediment-free and sediment-covered sites. Mg-phyllosilicates at seafloor hydrothermal sites have previously been described as talc, stevensite or saponite. In contrast, new data show tri-octahedral Mg-phyllosilicates ranging from pure talc and Fe-rich talc, through kerolite-rich kerolite–smectite to smectite-rich kerolite–smectite and tri-octahedral smectite. The most common occurrence is mixed-layer kerolite–smectite, which shows an almost complete interstratification series with 5 to 85% smectitic layers. The smectite interstratified with kerolite is mostly tri-octahedral. The degree of crystal perfection of the clay sequence decreases generally from talc to kerolite–smectite with lower crystalline perfection as the proportion of smectite layers in kerolite–smectite increases.Our studies do not support any dependence of the precipitated minerals on the type/subtype of hydrothermal system. Oxygen isotope geothermometry demonstrates that talc and kerolite–smectite precipitated in chimneys, massive sulfide mounds, at the sediment surface and in open cracks in the sediment near seafloor are high-temperature (> 250 °C) phases that are most probably the result of focused fluid discharge. The other end-member of this tri-octahedral Mg-phyllosilicate sequence, smectite, is a moderate-temperature (200–250 °C) phase forming deep within the sediment (～ 0.8 m). Chlorite and chlorite–smectite, which constitute the alteration sediment matrix around the hydrothermal mounds, are lower-temperature (150–200 °C) phases produced by diffuse fluid discharge through the sediment around the hydrothermal conduits. In addition to temperature, other two controls on the precipitation of this sequence are the silica activity and Mg/Al ratio (i.e. the degree of mixing of seawater with hydrothermal fluid). Higher silica activity favors the formation of talc relative to tri-octahedral smectite. Vent structures and sedimentary cover preclude complete mixing of hydrothermal fluid and ambient seawater, resulting in lower Mg/Al ratios in the interior parts of the chimneys and deeper in the sediment which leads to the precipitation of phyllosilicates with lower Mg contents. Talc and kerolite–smectite have very low trace- and rare earth element contents. Some exhibit a negative or flat Eu anomaly, which suggests Eu depletion in the original hydrothermal fluid. Such Eu depletion could be caused by precipitation of anhydrite or barite (sinks for Eu²⁺) deeper in the system. REE abundances and distribution patterns indicate that chlorite and chlorite–smectite are hydrothermal alteration products of the background turbiditic sediment.     

Formation mechanisms of illite,chlorite and mixed-layer illite-chlorite in Triassic volcanogenic sediments from the Southland Syncline,New Zealand

Clay minerals from the three principal kinds of zeolitic sediments from the type area for zeolite facies alteration, the Triassic Murihiku Supergroup, Southland, New Zealand, have been studied by TEM. Bentonitic tuff consists largely of smectite and heulandite with minor illite; they occur as replacements of glass shards and are inferred to be direct alteration products of tuff alteration. Both analcime- and laumontite-rich tuffs contain chlorite, illite and mixed-layer illite-chlorite, including 11 mixed-layer sequences. Subhedral to euhedral phyllosilicate crystal shapes and other textural features imply that phyllosilicates crystallized from solution derived in part by dissolution of precursor smectite. Intralayer transitions involving illite and chlorite are inferred to be products of crystallization rather than direct alteration and replacement. Petrographically similar bentonitic and analcimized tuffs overlap each other in the stratigraphic section, supporting earlier observations that there is no systematic change in smectite relative to the illite plus chlorite derived from smectite in sections up to 8.5 km thick. The data imply that smectite may be metastable relative to illite plus chlorite. Permeability and fluid chemistry are inferred to be as significant as temperature in promoting reactions in clay minerals as well as zeolites during burial metamorphism.Contribution No. 436, from The Mineralogical Laboratory, Department of Geological Sciences, The University of Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109     

水悬浮体系中蒙脱石和凹凸棒石的互相作用及其意义

由于晶体结构的制约，蒙脱石和凹凸棒石具有不同的形态和物理化学性质，在水悬浮体系中必定存在蒙脱石和凹凸棒石的互相作用，但这种互相作用的形式和科学意义未曾被人认知。通过蒙脱石和凹凸棒石分散、悬浮液混合、固液分离处理，经XRD、TEM、SSA分析证实，水悬浮体系蒙脱石和凹凸棒石存在胶体互相作用，并且以面-面形式结合。研究结果的理论和实际意义表现在以下三个方面：①为合理解释凹凸棒石蒙脱石混合粘土吸附现象和物理化学性质提供新的视角；②凹凸棒石可以作为蒙脱石粘土的改性剂，在蒙脱石粘土中添加少量的凹凸棒石即可达到提高比表面积的效果，可以利用蒙脱石和凹凸棒石的互相作用来制备类似柱撑粘土的纳米孔结构材料；③凹凸棒石粘土样品湿法处理时，水悬浮体系中不同矿物胶体颗粒互相作用会影响X射线粉末衍射分析结果，对此现象在粘土矿物定量研究中应引起重视。     

白云石成因研究新方法--白云石晶体结构分析

传统的白云石研究方法对于白云石成因分析具有多解性,对于已有白云石成因模式的套用或重新建立新的白云石成因模式将白云石的形成机理过于简单化、模式化。白云石的晶体结构保存了晶体的形成环境、结晶速度、晶体生长与变化特征、流体特征的证据,白云石晶体结构分析是进行白云石成因分析的有效手段,之前很少有研究者从晶体结构角度进行白云石成因分析。在岩石学和地球化学研究的基础上,本文对四川盆地灯影组-寒武系鞍状白云石、纤状白云石、残余颗粒细晶白云石、孔洞充填粗晶白云石和泥晶白云石五种白云石进行了微组构取样,并利用X衍射仪、透射电镜等晶体结构研究手段,从晶体结构角度对五种白云石组构的有序度、晶胞参数、晶格条纹、晶面间距、晶格缺陷等晶体结构参数进行了差异性研究,分析了它们不同的形成环境和成岩演化特征,初步建立了不同类型白云石晶体结构判识标志。     

泥质岩成岩作用中的黏土矿物研究

文章通过对泥质岩的黏土质矿物组分、成岩作用中黏土质矿物变化综合研究,认为泥质岩中存在大量黏土矿物,且泥质沉积物由松散到固结成岩实质上是黏土矿物组成的变化。泥质岩中主要黏土矿物包括高岭石、蒙皂石、绿泥石、伊利石以及其组成的混层型矿物伊利石/蒙皂石、绿泥石/蒙皂石,其成岩过程可划分为成岩早期的压实阶段、成岩晚期的黏土矿物转化阶段。压实阶段的泥质沉积物中黏土矿物具有物源的继承性、沉积水体古环境指示意义;受压实作用孔隙水、层间水被排出,原生絮凝团被压破,使片状质点趋于平行排列,黏土矿物与孔隙水发生反应,亦形成少量的新生作用矿物,因而黏土矿物具继承源和新生作用源特性。成岩晚期阶段发生层间水释放及层间阳离子交换,从而使得矿物晶体结构与成分发生变化,主要表现为一元黏土矿物向二元混层型转化,最后再到一元型黏土矿物的转化,最终形成转变源黏土矿物。     

天津蓟县长城系串岭沟组混层粘土矿物

为了解天津蓟县长城系串岭沟组地层中混层粘土矿物的组成和结构特征, 利用X射线粉晶衍射(XRD) 和高分辨透射电镜(HRTEM) 对其进行了深入研究.通过对比该区粘土矿物的自然干燥片、Ca离子饱和片、Ca饱和的乙二醇膨胀片、加热到375℃和550℃的乙二醇膨胀片获取的XRD衍射峰, 确定该区混层粘土矿物为伊利石/蒙脱石(I/S) 不规则混层矿物和绿泥石/蒙脱石(Chl/S) 不规则混层矿物.从高分辨透射电镜观察到I/S规则及不规则混层的晶格条纹像以及Chl/S不规则混层的晶格条纹像, 揭示了该区I/S混层和Chl/S混层的层间堆跺结构特征.该研究为蓟县中元古界典型剖面提供了重要的混层粘土矿物的结构信息.