含铁矿物的表面催化氧化作用及其环境意义

了解含铁矿物在环境地球化学和生物地球化学中所起的作用，重点在于介了解含铁矿物表面催化氧化作用对重金属As(Ⅴ)，Cr(Ⅵ)，U(Ⅵ)离子的表面还原反应，以及对有机污染物卤代烷烃、苯、氯苯、硝基苯类等芳香化合物的降解及退氯化作用，进而了解表面催化氧化作用的机制。     

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。     

微生物—矿物间半导体介导电子传递机制研究进展

矿物与微生物相互作用是地球表层系统中重要的生物地球化学过程,是联系不同圈层物质与能量交换的重要纽带,深刻地影响着一系列重要的地表过程,包括次生矿物的形成与演化、养分循环与污染物环境行为。在微生物—矿物的研究中,以往主要关注微生物的胞外电子传递和微生物介导的矿物溶解、沉淀、矿化等过程。由于矿物本身具有半导体性质,其在微生物胞外电子传递过程中扮演特殊的角色,这也为近期备受关注的微生物—矿物相互作用研究提供了一个崭新的视角。半导体矿物具有独特的能级结构和氧化还原性质,导致微生物—半导体矿物的相互作用机制差别很大。从热力学驱动和光能驱动2个方面分别阐述微生物—矿物间半导体导电机制的最新研究进展,并深入揭示其界面电子转移的机理。最后展望了微生物—半导体矿物相互作用的未来发展趋势。     

电子穿梭体介导微生物还原铁氧化物的研究进展

微生物还原铁氧化物矿物是铁元素生物地球化学循环的重要组成,而利用具有氧化还原活性的电子穿梭体介导生物产生的电子向矿物的传递,促进Fe(III)还原是生物还原含铁矿物的一种重要方式.基于对国内外相关研究成果的归纳整理,本文系统综述了影响腐殖质、醌、硫物种、生物自分泌化合物及固相碳材料等不同类型电子穿梭体参与微生物还原转化铁氧化物的因素及介导电子传递机理,展望了电子穿梭体在环境地质科学研究中有待进一步解决的问题.     

塔里木轮南地区原油沥青质的分子结构及其初步应用:热解、甲基化-热解和RICO研究

利用瞬间热解、甲基化-热解和钌离子催化氧化(RICO)降解技术研究了塔里木盆地轮南地区原油沥青质的分子结构,并对其在石油地球化学研究中的指示意义进行了讨论.轮南地区原油沥青质分子中的取代官能团以烷基侧链为主,烷基桥次之,另外还有少量的烷基-环己烷、支链烷烃和苯系物,这些化合物可能大都以C-C键结合到缩合芳环体系上;沥青质分子中的芳环体系大多数可能是萘或菲类型的芳香结构,高度缩合的芳香结构可能较少.轮南地区不同构造带原油沥青质热解产物的一致性指示它们可能来自沉积环境相同的母源.沥青质的分子结构表明,其母源可能主要来自浮游藻类的类脂物.热解产物中较高含量的1,2,3,4-四甲基-苯和2,6-二甲基、2,6,10-三甲基烷烃类化合物的检出表明其母质可能形成于较强的还原环境.沥青质热解产物中姥鲛-1-烯的相对含量较低,RICO产物中一元脂肪酸远高于二元脂肪酸,指示该区原油具有较高的成熟度.部分脂肪酸类化合物通过酯键连接在沥青质分子中,可能反映了原油在储层中经历了生物降解等后生作用.     

矿物光电子-微生物体系重金属离子价态调控及其环境效应研究进展

本文综述了典型污染区重金属离子赋存状态与环境风险评价、环境微生物多样性等环境质量因子的关系及其对土壤功能的影响;重点介绍了微生物源电子、半导体矿物光电子对重金属离子的价态调节双向控制;总结了电子穿梭体、空穴捕获剂等小分子有机物对光电子还原重金属离子的影响及机制,以及半导体矿物光电子、重金属价电子协同微生物对重金属离子的还原氧化效率与价态调控;分析了微生物及其表面基团对重金属离子的矿化与转化作用,以及微生物界面固定转化在土壤重金属污染修复中的作用。本综述可为进一步研究微生物和半导体矿物光电子协同作用对重金属离子的定向调节、电子转移途径、晶相转化机制提供指导,对深入探讨光-半导体矿物-重金属离子-微生物多相复杂体系的交互作用具有重要的环境学意义。     

蒙脱石层间域的性质及其环境意义

蒙脱石矿物是土壤中比表面积大、分布很广的一种粘土矿物,也是土壤中主要的活性组分之一。蒙脱石层间域是一个特殊的化学反应场所。系统地评述了无机、有机阳离子、农药分子在蒙脱石层间域中的吸附、脱附、氧化还原、催化降解等反应机理,并指出它们的环境化学行为对环境的影响和意义。     

不同铁、氮转化功能微生物对Fe(Ⅱ)化学氧化的响应

在地下水位波动带、地表水-地下水交互带等氧化还原变化区域,O₂会与Fe（II）发生反应产生活性氧,如·OH、·O₂-、H₂O₂等.这些活性氧具有生物毒性,可能对微生物的存活产生影响,而不同的功能微生物对Fe（II）化学氧化产生活性氧的响应可能不同.为了验证这一科学假设,选取了一种Fe（II）氧化菌Pseudogulbenkiania sp.strain 2002（strain 2002）和两种氨氧化细菌Rhodococcus sp.（A1）和Arthrobacter oxydans（A2）作为模式菌种,并与铁还原菌Shewanella oneidensis strain MR-1（MR-1）对比,研究了Fe（II）化学氧化过程中微生物数量、细胞结构的变化,通过淬灭实验探究了活性氧的贡献.结果表明,不同功能微生物对Fe（II）化学氧化的响应截然不同.0.2 mmol/L Fe（II）氧化60 min后,MR-1数量下降了1.61个数量级,A1和A2分别下降了0.74和1.37个数量级,而strain 2002的存活几乎不受Fe（II）氧化的影响.透射电镜观察结果显示,MR-1、A1和A2菌细胞的外膜受到了不同程度的破坏,而strain 2002完好无损.淬灭实验结果表明,溶液中和胞内生成的活性氧是造成功能微生物死亡的原因,但是不同微生物由于对Fe（II）的吸附性能和对活性氧的抵御能力不同,因而对活性氧的响应机制不同.该研究结果对于诠释现代环境氧化还原变化区域微生物群落演化及地球史上氧气大爆发事件的生物地球化学过程具有重要的借鉴意义.      

吐哈盆地十红滩铀矿床铀成矿过程中微生物—有机质相互作用研究

生物、有机质成矿作用是目前国际成矿作用研究前沿领域。本文以我国典型层间氧化带砂岩型铀矿床——吐哈盆地十红滩铀矿床为研究对象,分析了矿床的有机质、微生物地球化学特征,探讨了有机质和微生物的相互作用。认为好氧微生物积极地参与了矿床层间氧化带的形成。氧化带铁的生物氧化作用催化了铀的氧化、溶解以及迁移,为铀成矿提供了重要的铀源条件。在氧化还原过渡带,硫酸盐还原菌利用有机质生物化学作用的产物——轻烃和可溶有机物作为碳源,使容矿层地下水中硫酸盐发生还原作用形成硫化氢,地下水Eh降低和pH向弱酸性转化,导致铀的还原成矿和吸附成矿作用,有机质和微生物的相互作用对矿床的形成具有重要的控制作用。     

铁氧化物-微生物界面电子传递的分子机制研究进展

在地表环境中,铁氧化物矿物可以作为微生物胞外呼吸的终端电子受体/供体、电子储存介质或种间电子传递介质促进环境微生物的新陈代谢。本文介绍了矿物-微生物直接界面电子转移方式中,铁氧化物矿物与组成微生物跨膜电子传输链的细胞色素蛋白之间的氧化-还原反应机制及其影响因素,从分子水平刻画了微生物利用矿物进行胞外呼吸的过程,有助于深入理解微生物驱动的矿物转化和元素地球化学循环。     

微生物对硅酸盐矿物风化作用研究进展

微生物对硅酸盐矿物风化的影响研究取得了一系列重要进展。在贫营养环境中,微生物风化硅酸盐矿物获取营养物质,加速了硅酸盐矿物的风化;由于微生物的作用,矿物的风化会不遵循正常的矿物化学风化序列,表现出稳定矿物比不稳定矿物更易风化的特征。微生物风化硅酸盐矿物时会在硅酸盐矿物表面留下痕迹,即富集或转移相应的元素和矿物,而且还能改变硅酸盐矿物的化学组成和结构。微生物的上述行为受营养基质含量、有机酸、生物膜、胞外聚合物以及氧化还原作用的影响。     

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。     

Mineral-microbe interactions: a review

The studies of mineral-microbe interactions lie at the heart of the emerging field of Geomicrobiology, as minerals and rocks are the most fundamental earth materials with which microbes interact at all scales. Microbes have been found in a number of the Earth’s extreme environments and beyond. In spite of the diverse geological environments in which microbes are found and diverse approaches taken to study them, a common thread, mineral-microbe interactions, connects all these environments and experimental approaches under the same umbrella, i.e., Geomicrobiology. Minerals and rocks provide microbes with nutrients and living habitats, and microbes impact rock and mineral weathering and diagenesis rates through their effects on mineral solubility and speciation. Given a rapid growth of research in this area in the last two decades, it is not possible to provide a comprehensive review on the topic. This review paper focuses on three area, i.e., microbial dissolution of minerals, microbial formation of minerals, and certain techniques to study mineral-microbe interactions. Under the first area, three subjects are reviewed; they include siderophores as important agents in promoting mineral dissolution, microbial oxidation of reduced minerals (acid mine drainage and microbial leaching of ores), and microbial reduction of oxidized minerals. Under the second topic, both biologically controlled and induced mineralizations are reviewed with a special focus on microbially induced mineralization (microbial surface mediated mineral precipitation and microbial precipitation of carbonates). Under the topic of characterization, the focus is on transmission electron microscopy (TEM) and electron energy loss spectroscopy. It is the author’s hope that this review will promote more focused research on mineral-microbe interactions and encourage more collaboration between microbiologists and mineralogists.     

有机粘土化学研究进展与展望

有机粘土化学是研究粘土矿物与有机化合物之间相互作用的一门学科,其内容包括粘土矿物对有机化合物的吸附作用,粘土矿物对有机化合物转化的催化作用以及有机化合物对粘土矿物的合成与风化的影响。着重阐述了近20年来有机粘土化学的研究进展,并就这一学科领域的研究作了展望。     

矿物环境属性与无机界天然自净化功能

本将矿物学研究从岩石圈拓展到水圈、大气圈、生物圈与土壤圈之间交互作用的矿物环境属性范畴，研究表明，矿物可成为记录环境演变信息的载体；防止矿物的破坏与分解有可能减少甚至避免由此所造成的对人体健康的影响与生态环境的破坏；矿物与生物交互作用的研究与天然矿物治理污染物的是建立在充分利用自然规律的基础之上，体现了天然自净化作用的特色。天然矿物对污染物的净化功能主要体现在环境矿物材料基本性能方面。天然铁的硫化物，铁的氧化物，锰的氧化物、钛的氧化物。蛭石，有机蒙脱石和含高价阳离子蒙脱石，以及黄钾铁矾等均在处理无机与有机污染物方面展现出良好效果，矿物与其环境界面原子尺度相互作用过程研究，矿物内部结构缺陷影响矿物表面活性规律研究，矿物晶体结构中不同维次连通性孔道效应研究,矿物化学活性作发化污染物方法研究，以及矿物晶芽与生物细胞层次上交互作用净化污染物机理研究等，将是近期着力开发无机界矿物天然自净化功能的重点研究内容。     

Intracellular and extracellular mineralization of a microbial community in the Edmond deep-sea vent field environment

Microbial biomineralization in submarine hydrothermal environments provides an insight into the formation of vent microfossils and the interactions between microbes, elements and minerals throughout the geological record. Here, we investigate microbial biomineralization of a deep-sea vent community in the Edmond vent field and provide ultrastructural evidence for the formation of microfossils and biogenic iron-rich minerals related to Archaea and Bacteria. Environmental scanning electron microscopy (ESEM) analysis shows that filamentous and spiral microbes are encrusted by a non-crystalline silica matrix and minor amounts of iron oxides. Examination by transmission electron microscopy (TEM) reveals acicular iron-rich particles and aggregates that occur either intracellularly or extracellularly. A culture-independent molecular phylogenetic analysis demonstrates a diverse range of Bacteria and Archaea, the majority of which are related to sulfur metabolism in the microbial mats. Both Archaea and Bacteria have undergone silicification, in a similar manner to microorganisms in some terrestrial hot springs and indicating that silicification may be driven by silica supersaturation and polymerization. Formation mechanisms of intracellular and extracellular iron oxides associated with microbes are discussed. These results enhance our understanding of microbial mineralization in extreme environments, which may be widespread in the Earth's modern and ancient hydrothermal vent fields.     

深海微生物多样性形成机制浅析

随着全球人口、资源与环境问题的加剧,人类把目光投向海洋。深海包含在极酸、极碱、极热、极冷、高盐、高压等极端环境下能够生存繁衍的微生物。与陆地微生物比较,它们可能具备某些不同的代谢途径和遗传背景。对极端环境微生物生存与适应机制的研究将加深我们对深海微生物乃至深海生物圈对全球气候影响的理解,也将促进我们对深海微生物资源和深海矿产资源的开发。在综合以往对各种极端环境下微生物研究的基础上对深海微生物的生存及适应机制进行了分析与阐释,为深海微生物的研究提供参考。     

Advances in the Semiconductor-Mediated Electron Transfer Mechanism at Microbe-Mineral Interface

The interaction between minerals and microbes is an important biogeochemical process in the earth surface system, which links the transformation of substances and energy exchange in different earth spheres, and also affects a series of important earth surface processes, including the formation and evolution of secondary minerals, nutrient cycling and environmental behaviors of pollutants. The previous studies on microbe-mineral interaction focused on the extracellular electron transfer, and the microbe-mediated dissolution, precipitation, mineralization of minerals. Because of semiconductor properties of the mineral, it plays a special role in the process of microbial extracellular electron transfer, which can also help to understand the mutual interaction between microbe and mineral from a new angle of view. The unique energy level structures and redox properties of semiconducting mineral lead to a great difference in the mechanism of microbe and mineral interaction. The latest research progresses in the mechanism of microbe-mineral interaction mediated by semiconducting mineral were reviewed from two aspects: driven by thermodynamics and light energy. Finally, the future development trends of the interaction between microbes and semiconductor minerals were prospected.     

Mineral-organic-microbe interactions: Environmental impacts from molecular to macroscopic scales

The role of microbes in geological processes is discussed with particular reference to the geochemical cycle involving iron. Microbial oxidation of Fe(II) minerals can occur via at least three mechanisms, the most important involving acidophilic prokaryotes which promote oxidation of iron sulphides. Accelerated breakdown of arsenopyrite is a good example, where multi-step electrochemical reactions are facilitated by the presence of organisms such as Leptospirillum ferrooxidans. Other organisms actively promote the reduction of Fe(III) to more soluble Fe(II). Reduction rates are highly variable, depending on mineral substrate, with oxyhydroxides being most reactive. Proper understanding of such redox processes requires knowledge of interactions at the molecular scale. Advances are being made through genetic studies of relevant organisms, and of mineral surfaces as exemplified by our experimental and computational studies of iron oxides such as magnetite, the reaction of which with simple organic molecules shows diverse behaviour. Mineral-organic interactions precede formation of bacterial biofilms, which can create local geochemical environments causing mineral precipitation. Biofilms and precipitate phases can have a major influence on fluid flow through fractures or porous media as we demonstrate using experiments from micro- to macro-scales.     

Formation Conditions and Main Controlling Factors of Uranium in Marine Source Rocks

The research of petroleum exploration demonstrates that source rocks, developed in petroleum-bearing sedimentary basins worldwide, are accompanied by uranium to different degrees.As a special element with catalytic, oxidative and radioactive features, uranium may play important roles in the source rock formation and hydrocarbon generation. In this paper, we systematically discussed the formation conditions and main controlling factors of uranium in marine source rocks based on the comprehensive analysis of uranium contents in the worldwide source rocks and the interactions of uranium with minerals, organic materials and microbes. The results indicated that oxidative degrees of ancient atmosphere and palaeo-ocean were governing factors of uranium enrichment in source rocks. Oxidative weathering and hydrothermal solution might be the two main sources of marine sedimentary uranium. In addition, iron-bearing minerals, phosphate minerals, clay minerals, organic materials, and microbes were of great significance in promoting the transformation of the uranium valence states. They could also act as carriers to absorb or combine uranium, resulting in the enrichment of uranium in sediments. Therefore, the enrichment of uranium might be an inevitable result of source rocks formation.