矿物光电子与地球早期生命起源及演化初探

能量是一切生命活动的核心问题,生命体的能量来源与获取途径是地球早期生命起源与演化的关键科学问题.现有研究表明,生物体开始对太阳光能的大规模利用是早期地球生命演化的重要转折,生命随后逐渐发展并繁荣起来.然而,在生命活动中广泛存在着生物化学反应的电子转移过程,电子最初来源是否源自太阳光能以及如何源自太阳光能目前仍不清楚.数十亿年以来,太阳光理应一直激发着地球表面大量存在的半导体矿物产生光电子-空穴对,在早期地球表面处于还原环境与弱酸性介质条件下,半导体矿物产生的光生空穴极易被俘获,分离出的矿物光电子可有效还原二氧化碳为有机物质,提供生命起源所需物质.光电子在电势差的驱动下形成光电子传递链,可直接传递到原始细胞中以维持其新陈代谢过程.天然半导体矿物在早期生命起源过程中还能起到对细胞免遭紫外线辐射的保护作用,而这种保护作用是通过半导体矿物吸收紫外线来实现的.正是持续产生的较高能量的光电子被早期生命细胞所利用,天然半导体矿物光催化作用产生的光电子在早期生命起源过程中扮演着合成物质、保护细胞与提供能量的多种作用,这一机制至今仍在地球表层系统中发挥着重要作用.     

基于"压力-状态-响应"模型的珠海市大万山岛生态安全评价研究

文章基于“压力-状态-响应”（PSR）模型构建海岛发展的指标评价体系，选取21个代表性指标评价该地区生态安全状况，对珠海市大万山岛的生态安全进行了分析研究。结果表明，2010—2017年珠海市大万山岛的生态安全指数总体呈上升趋势，2016年安全指数为0.679，达到生态安全Ⅱ级“较安全”等级。2010—2017年,压力指数从0.038升至0.162；由于废水、废气和固体废弃物排放增加，状态指数在2012—2016年呈现下滑趋势，从0.194降至0.074；响应指数明显上升，在2016年达到最高值0.496，而在2017年又下降至0.352。状态指数结果表明，经济增长与海岛生态环境承受能力之间的矛盾突出，大万山海岛资源的过度开发与生态环境的破坏导致各子系统协调度失稳下滑。     

热处理金红石晶体结构及其光催化活性分析

本文以在氢气气氛中加热和退火处理的天然金红石样品(采自山西某变质矿床)为研究对象,利用单晶和粉晶X-射线衍射(XRD)、环境扫描电子显微镜(ESEM)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-vis)等矿物学常规测试方法,结合Rietveld方法对实验数据计算和精修的结果,对系列样品的晶体结构及对光催化活性影响进行了系统的研究...     

化能自养型微生物利用太阳能途径的实验研究

针对自然界中天然半导体矿物和化能自养微生物之间的能量交换途径进行了详细的实验研究.半导体光电化学实验结果显示,天然半导体矿物在光照情况下产生的光生电子可将Fe3+还原为Fe2+,其中金红石光催化还原Fe3+的效率为12.5%,闪锌矿为7.86%,该过程通过天然半导体矿物的日光催化作用实现了太阳光能→电能→化学能的转化;控制电势的微生物电化学反应实验结果显示,化能自养型微生物A.f.菌的细胞增加量与外界电子传入而生成的Fe2+的量呈线性关系,且有外来电子传入实验组的A.f.生长量是无电子传入组的441%,该过程通过菌的生长代谢作用实现了化学能→生物质能的转化.进一步的光电化学和微生物电化学耦合实验结果证明,在太阳光和天然半导体矿物共同作用下,A.f.菌的对数生长期由无光时的36 h延长到72 h,同时细菌的生长在该能量转化过程中得到了明显促进.在天然闪锌矿催化条件下,有光条件的A.f.菌数量增加到无光条件的1.90倍;而在金红石催化条件下,有光条件的A.f.菌数量增加到无光条件的1.69倍.实验结果说明,在以天然半导体矿物为媒介的情况下,化能自养微生物可间接利用太阳能来获得自身的生长繁殖所需的能量,这一过程也实现了太阳光能→电能→化学能→生物质能的能量转化途径.     

微生物电化学体系中金红石可见光还原降解偶氮染料的实验研究

利用双室微生物电化学装置对微生物和半导体矿物协同作用下偶氮类染料废水的还原脱色降解进行了系统的实验研究.不同光照条件及不同阴极电极材料的对比实验结果显示,偶氮染料甲基橙(MO)可作为终端电子受体直接从固体电极上获得电子被还原脱色;各对比实验中,在微生物催化与半导体矿物光催化协同作用条件下,MO还原脱色效率最高.电化学交流阻抗谱(EIS)的拟合结果显示金红石涂布阴极电极光照下极化内阻(Rp)为443.4 Ω,较无光条件下的1378 Ω显著降低,证明光照下金红石阴极的电子转移过程受其光催化作用的驱动.不同初始浓度下MO的生物-半导体催化还原反应符合准一级动力学模型,其反应速率随MO初始浓度降低而增加.通过对脱色产物的进一步分析,推测该实验中MO的还原脱色反应机制为: 阳极初始电子供体在微生物的催化作用下将电子通过阳极电极和外电路传递给阴极半导体矿物电极,进而在半导体矿物的光催化作用下通过光生电子还原终端电子受体MO,使MO中的偶氮键断裂,生成无色的联氨类衍生物.     

光电子作用下土壤微生物粪产碱杆菌反硝化性能研究

本文在对普通培养条件下异养微生物粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis,A.faecalis)反硝化特征研究的基础上,运用电化学方法于一定电势下(-0.15 V、-0.06 V、+0.06 V vs.NHE)模拟半导体矿物导带光电子能量,探讨不同能量的光电子对A.faecalis反硝化特性及细胞生长代谢的影响。实验显示,在普通培养条件下,A.faecalis在有氧和无氧环境中均不能还原NO-3,但还原NO-2效果明显。在模拟光电子实验体系中,A.faecalis可在不同电势(-0.15 V、-0.06 V、+0.06 V)的阴极石墨电极表面附着并形成具有反硝化活性的菌膜;其中,外加电势为-0.15V的实验组菌膜量最多,其NO-3去除率也最高,10天达到52%;-0.06 V体系略低,NO-3去除率为30.5%,+0.06 V体系菌膜量最少,其NO-3去除效果也最差,仅为10.6%。而在不添加微生物的电化学体系中,3个外加电势下的NO-3浓度均未发生明显变化。本实验研究结果证明了一定能量的半导体矿物光电子可影响土壤异养微生物A.faecalis的生长代谢及反硝化行为。     

天然褐铁矿的光电化学响应及对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌生长的影响

通过对比实验研究了天然褐铁矿对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.f.)生长的影响.利用X射线衍射分析(XRD)确定实验中所用天然褐铁矿样品的主要物相为针铁矿和赤铁矿,紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和不同光照条件下的时间电流曲线表明天然褐铁矿在可见光下具有良好的光电化学响应.采用"H"型装置进行双室体系反应,设置了3组对比实验,结果显示A.f.在有光催化电子传入情况下生长较好,在96 h内细胞浓度增加了12倍,3组实验中Fe2+浓度的变化规律与A.f.的生长趋势相对应.由此揭示了天然褐铁矿促进A.f.生长的机制为:在光照作用下天然褐铁矿能产生光生电子-空穴对,光生空穴被电子供体(抗坏血酸)捕获,分离出的光生电子传入阴极室能够将Fe3+还原为Fe2+,实现Fe2+的电化学再生,提供充足的电子能量来源,促进细菌生长.     

湖北清江和尚洞滴水微生物群落随空间和季节的变化

为了考察现代微生物群落对环境因子的响应关系及其在古气候重建中的应用潜力, 利用微生物学传统的培养计数、荧光染色总菌计数和BIOLOG的ECO微平板等技术对湖北省清江和尚洞内不同地点的滴水由内至外进行了空间和季节性的动态监测, 4个滴水点由内向外编号依次为1D、3D、4D和5D.结果证实湖北清江和尚洞洞穴滴水中存在一定数量的微生物.不同样点微生物的代谢活性不同, 1D样品中的微生物群落代谢活性最高, 3D表现出与1D相似的代谢特征, 但平均颜色变化率(AWCD: 微生物对碳源的利用程度, 颜色变化率越高, 表明微生物代谢越旺盛)较1D小, 4D和5D样品在接种24h后平均颜色变化率(AWCD)基本保持不变.对微生物代谢较为旺盛的1D、3D两个样品中不同时间内微生物群落的多样性指数进行分析, 表明洞穴滴水中微生物多样性相对稳定, 随采样季节的变化不大.相对于3D、1D的4个不同季节(采样时间)微生物群落对碳源种类的利用上存在一定差异.1D水样在2006秋季(2006年11月份)、2007春季(2007年5月)和2009年夏季(2009年7月份)微生物群落利用碳源种类上比较接近, 而在2008年初秋(2008年9月)碳源利用种类与前三者的差异明显.与1D相比, 3D的4个不同采样时间的滴水微生物群落在主成分1和主成分2的得分系数比较接近, 群落碳源代谢功能多样性差别不大.这种变化可能反映了不同季节滴水中可溶有机质成分(DOC)的变化及微生物群落成分的变化, 暗示了微生物群落结构变化在指示气候变化应用中的巨大潜力.但微生物群落多样性与代谢功能多样性与气候因子之间的关系尚需深入研究.      

微生物还原铁氧化物矿物的电化学研究

微生物可以还原铁氧化物矿物。本文通过使用电化学方法对铁氧化物矿物在微生物还原作用下的氧化还原特性进行模拟与表征,补充了从新角度对微生物还原铁氧化物矿物的研究。研究结果显示,微生物可直接以铁氧化物矿物作为电子受体将其还原得到二价铁生成物。电化学实验显示,0.2 mA阴极恒电流条件下铁氧化物矿物可以接受电子,同时铁氧化物矿物中的Fe3+在0.89±0.01 V(相对于饱和甘汞电极)时发生还原反应,表明铁氧化物矿物满足被微生物还原的电化学条件。双室微生物-铁氧化物矿物体系研究证实,铁氧化物矿物可以作为阴极接受微生物提供的电子。     

洞穴地球微生物研究进展

以洞穴内生长的微生物为切入点,着重论述了近年来洞穴地球微生物的鉴定技术,如Biolog全自动微生物鉴定系统、克隆文库测序法、遗传指纹图技术、变性梯度凝胶电泳和温度梯度凝胶电泳、荧光原位杂交法、稳定同位素探针法以及各种技术的利弊,总结了洞穴地球微生物在微生物多样性及其在洞穴堆积物形成作用方面所取得的进展,预测了洞穴地球微生物今后的发展动向。