关键带中天然半导体矿物光电子的产生与作用

在地球上最不均匀和最复杂的区域——关键带这一极为复杂的开放系统中,矿物与微生物无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的自然作用。文中总结了作者十余年来在矿物与微生物交互作用研究领域,侧重在半导体矿物与微生物协同作用研究方向上所取得的研究成果,重点简述了自然界中半导体矿物特征、半导体矿物光电子特性、矿物光电子促进生命起源与演化、微生物利用矿物光电子——光电能微生物的发现以及土壤矿物光电子与微生物协同固碳作用等研究工作。矿物与微生物之间电子转移和能量流动是关键带中最为重要的动力机制之一,探讨关键带中大量存在的天然半导体矿物如何转化太阳能为化学能或者生物质能的微观作用,可为揭示关键带中多个圈层之间交互作用如何影响地球物质演化、生物进化与环境演变的宏观过程提供理论依据,充满着科学发现与理论突破的机遇。     

微生物所协同的天然金红石日光催化作用研究

本文揭示了自然界中可能存在的一种新的矿物和微生物交互作用形式,即微生物通过生物电化学作用参与到半导体 矿物的日光催化作用过程中。模拟日光光源下“产电”微生物与天然半导体矿物金红石交互实验结果显示,金红石的光催 化作用促进了矿物端元的反应速率,提高了电子在微生物和矿物之间的转移效率,使微生物电子传递链末端电子能量得到 提升。二者协同作用可提高微生物或半导体矿物单独作用时对污染物如Cr(Ⅵ)的还原处理效果。该研究为环境污染治理提 供了一种矿物与微生物协同作用新理念。     

黄海透光层悬浮半导体矿物组成及其促进微生物胞外电子传递过程初探

在地球上最为活跃的海洋透光层体系中,矿物-微生物交互作用的形式十分丰富。系统采集了黄海近海透光层水体样品,测试分析发现其中分布大量悬浮半导体矿物及微生物群落。通过电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)、环境扫描电子显微镜(ESEM)及配有的EDX能谱仪,从宏观到微区对悬浮颗粒矿物的化学元素组成进行了测试分析,发现其主要矿物组成元素为Si、O、Na、K、Ca、Al等,且含有较高含量的Mn、Fe、Ti等金属元素;通过X射线衍射光谱(XRD)、拉曼光谱(Raman)测试从整体到局部分析悬浮颗粒矿物的物相组成,发现其主要组成矿物为石英、钠长石、方解石、云母和绿泥石等,还有锐钛矿、金红石、板钛矿、针铁矿等铁、钛金属氧化物半导体矿物。通过16S rRNA高通量测序分析海水中主要微生物群落为Proteobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes、Woeseia、Fluviicola等,并通过构建双室反应体系对海水微生物与悬浮矿物间氧化还原作用及胞外电子传递过程进行了表征,结果显示增加海水悬浮矿物作为电子受体后,体系开路电压由330. 80 mV提升至426. 59 mV,提升比率达130%,最大输出功率由8. 376 9 mW/m^2提升至12. 096 8 mW/m^2,为原体系的1. 44倍。实验研究表明,海水透光层悬浮矿物能有效参与并促进微生物胞外电子传递过程,为后续深入研究基于电子能量传递利用的半导体矿物-微生物协同作用以及元素循环调控机制奠定初步基础。     

天然半导体光催化与异养微生物粪产碱杆菌的生长代谢

<正>土壤中广泛存在含铁、锰氧化物等天然半导体矿物(鲁安怀,2003)。经前人研究,天然半导体金红石的光催化作用能有效促进化能自养微生物氧化亚铁硫杆菌(Acidthiobacillus ferrooxi-dans)的生长(吕明等,2008)。对于含有天然半导体矿物和有机质的土壤体系中,以有机质为能     

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。     

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。     

可吸入矿物细颗粒物与微生物的相互作用

矿物细颗粒物和微生物个体都是大气颗粒物(PM)重要组成部分,它们在形态、共生关系和空气动力学行为上均有高关联度.本文对可吸入颗粒物(IP)和可吸入矿物细颗粒(IMG)的颗粒特性、自由基和生物活性、IP和IMG与微生物相互作用效果的研究现状做了阐述,指出大气颗粒物与微生物的相互作用的重要性.提出今后应重点研究可吸入矿物细颗粒物的环境化学与微生物作用行为,研究IMG-微生物体系近尺寸作用体系中的尺寸效应、界膜作用等对矿物颗粒物表面形态、表面电性、表面基团及自由基等的影响,分泌蛋白质与相变、元素变价、溶解(络合)的关系以及由此引起的颗粒物活性和生物毒性的变化等.     

红壤中微生物群落对半导体矿物日光催化作用的响应

本研究选取天然红壤作为研究对象,分析其中的含铁半导体矿物光催化作用对本源微生物群落结构的影响。采用聚 合酶链式反应/变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）,研究了不同原始光照条件的红壤中微生物群落在外源电子作用下群落结 构的改变。DGGE图谱的主成分分析表明,两个不同原始光照环境的土壤样品的微生物群落结构由于原始环境的差异而不同： 原始环境为强光照的样品中微生物群落结构受外源电子影响较小;原始环境为弱光照的样品中微生物群落结构受外源电子 影响较大。这一群落结构改变的差异可能由于原始环境为强光照时半导体矿物光催化作用产生光生电子传递到环境中持续 影响周围的微生物群落,而原始弱光照环境中则缺少光生电子的作用。     

生命活动中矿化作用的环境响应机制研究

生物矿化作用及其环境响应机制的研究,关键在于研究生命活动制约矿物形成、分解的机理及其环境响应机制,其内容主要包括生物矿化作用的机理、生物矿化作用的环境效应、生物矿化作用的调控理论和方法。可实现的研究目标是从多学科角度发展生物矿化作用的理论,阐明自然界中矿物－生物－重金属/POPs －水之间的相互作用机理与环境响应机制。有望揭示微生物控制重金属矿化的微观机制,提出微生物治理重金属污染原理;揭示半导体矿物－微生物协同作用降解POPs 机制,发展三元体系研究方法;揭示微生物促进多金属矿山硫化物分解机制,提出微生物分解矿物对生态环境影响的调控方法等。以促进地质生物学前沿交叉学科发展,形成未来环境污染防治重大新技术的科学基础。     

微生物碳酸盐岩的显微结构基本特征*

以前的微生物岩识别和分类只根据裸眼可见的中观结构,而对显微镜下的微观结构未予使用。微生物的显微结构有什么基本特征,是否可以用于微生物岩的识别和分类是本文关注的焦点。作者从微生物岩形成机制和实际材料的观察来探讨这个问题。在诱导钙化实验中观察到,蓝藻鞘丝藻Lyngbya的胶鞘表面有碳酸盐矿物形成: 先是在胶鞘表面形成点状碳酸盐颗粒,后来碳酸盐几乎包裹整个丝体,形成一个矿物壳。微生物岩形成的模式推演表明,微生物岩一般都有微生物留下的孔(模孔)和包围模孔的矿物壳2种基本单元。对3个地点的现代微生物碳酸盐岩和1个地点的古代(寒武纪)微生物岩的观察,发现在显微尺度上都具有模孔,此外还可能有矿物壳或胶结物。模孔的形状、大小、排列方式是微生物碳酸盐岩显微结构研究的核心内容,在今后的研究中可以用于微生物岩的识别和分类,以及作为分析形成机制和形成环境的基础。     

矿物光电子能量及矿物与微生物协同作用

本文总结了天然半导体矿物光电子能量及矿物与微生物协同作用的最新研究成果,特别强调地表微生物、矿物和太阳光多元复杂体系中金属氧化物和金属硫化物半导体矿物的可见光激发光电子特征,阐述了矿物光电子能量利于地球早期生命起源与演化、促进化能自养和化能异养微生物生长代谢、调控矿物与微生物协同作用实现固碳作用。进而提出矿物光电子能有效地将二氧化碳还原为有机物质,可为生命起源提供有机物质基础的认识。     

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.     

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。     

胶质芽孢杆菌－蒙脱石相互作用实验研究

利用硅酸盐细菌研究了微生物对硅酸盐矿物的分解作用。选取层状硅酸盐矿物蒙脱石在30℃与一株编号为3025的硅酸盐细菌B.mucilaginosus进行交互作用,并利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)分析溶液中Si、Al、Mg离子的出溶量,利用X射线衍射(XRD)和显微红外光谱(Micro-FTIR)分析微生物作用后矿物物相和微结构变化。发现经硅酸盐细菌作用后,蒙脱石化学成分及晶体结构发生了细微变化,为微生物活动促进粘土矿物分解作用研究提供了实验和理论依据。     

南方红壤微生物群落光电子能量响应特性

地表关键带中时刻发生的物质循环与能量流动过程使其成为地球最活跃的系统之一,其中即包含半导体矿物介导的非光合微生物利用太阳光能量这一微生物-矿物协同作用新途径。特别是富含半导体矿物的天然红壤,为研究关键带中半导体矿物转化太阳能为化学能或者生物质能的微观作用,探索关键带各圈层相互作用提供了新的契机。自海口、长沙两地采集天然红壤样品,经SEM、XRD等分析确定其含有针铁矿、赤铁矿、水钠锰矿等多种铁锰氧化物矿物,紫外可见漫反射吸收谱结果显示此类矿物对可见光具有较好的吸收活性。为考察矿物光电子能量对土壤微生物群落构成的影响,构建双室实验体系利用电化学恒电势技术模拟不同能量光电子,电势模拟矿物光电子能量设置为-0.05 V、-0.25 V(vs.SHE)。实验对比分析了土壤提取液、生理盐水、磷酸盐缓冲液、抗坏血酸溶液(提供有机空穴捕获剂)等不同介质条件下的电化学响应情况,发现0.1 mol/L NaH 2PO4缓冲液条件下体系稳定性最高,电流响应活性期超过30 d,最终体系稳定电流与溶液p H见表1。实验结果显示,阴极施加偏压条件下溶液p H基本稳定,说明水电解反应得以控制并达到动态平衡;恒定偏压下体系电流达到稳定,说明电极与表面微生物间电子转移的电化学过程实现平衡。同时,对比分析红壤样品的电流数据可以发现,海口、长沙两地样品在不同电势下的电流响应情况具有显著差异,预示着不同地区、不同电子能量作用下的微生物群落可能具有不同的响应特性。为进一步明确实验体系中微生物生长代谢状况,使用考马斯亮蓝G250测试总蛋白含量,对比初始阶段发现偏压作用前后蛋白含量基本稳定,表明模拟实验体系中微生物可维持原有代谢水平。本文构建双室电化学实验体系利用恒电势技术模拟不同能量光电子,考察微生物对光电子能量的响应特性。后续结合焦磷酸测序等技术获得群落构成信息,能够进一步揭示光电子能量响应情况下的红壤微生物群落演化特征。     

半导体矿物及其与微生物作用研究方法与技术

自然界矿物的半导体属性是地表矿物重要的物理化学性质之一。半导体矿物可吸收利用太阳光能,驱动物质的地球化学循环,甚至与微生物发生交互作用,这是当前多学科交叉研究方向的前沿热点。本文归纳总结了半导体矿物的表征与测试技术,详细论述了半导体矿物与微生物交互作用体系的构建和研究方法,以期为开展相关领域的研究提供方法和技术参考。     

微生物对碳酸盐岩的风化作用

微生物-矿物相互作用可以促进许多表生生物地球化学反应过程,是表生地球化学研究的重要内容。通过综合岩石表面的微生物类群及其地质作用,分析碳酸盐岩微生物风化的各种现象,特别是微观尺度上的各种形态,阐述碳酸盐岩的微生物风化机制与风化产物,笔者提出微生物对碳酸盐岩风化的4种途径:(1)通过微生物在岩石表面和缝隙中生长,导致岩石表层发生生物溶蚀、生物磨蚀和生物钻孔作用,加速岩石风化进程;(2)微生物群体形成的钻孔网络可以增强岩石化学溶蚀的有效表面积并导致其表面强度减弱而促进机械侵蚀作用,微生物对周围岩石颗粒胶结结构的破坏、疏松作用也会导致岩石矿物颗粒的分解;(3)微生物的持水作用,微生物分泌的有机酸以及微生物呼吸所释放的CO2对岩表水分的酸化过程亦加速岩石矿物的分解;(4)微生物生长过程中从岩石内摄取营养元素和产生复杂的有机配体,能促进矿物元素的释放。文中提出在开展微生物对碳酸盐岩风化过程和机理研究的基础上,有必要引入微生物生物技术来综合开发本地低品位含钾磷矿产资源,加速岩溶地区山地土壤的形成与演化。     

黄铁矿风化表面高含量的碳:微生物活动的证据

位于尾矿或废石堆中的黄铁矿，其表面的碳常有3种来源：(1)吸附的CO2，(2)沉淀的碳酸盐矿物或吸附的[CO3]^2-，[HCO3]^-；(3)黄铁矿表面的微生物。XPS分析显示，在鸡冠山废岩堆中，黄铁矿表面的碳含量普遍较高，仅用来自大气中CO2的吸附是难以解释的。这些黄铁矿处于废岩堆氧化带的酸性环境中，决定了在它们的表面不可能存在第二种来源的碳，XRD谱也证实在这些黄铁矿的表面风化层中不存在碳酸盐矿物。微生物Thiobacillus ferrooxidans和Leptospirillum ferrooxidans等常富集于低pH的尾矿或废石堆的氧化带中，参与并催化硫化物矿物的氧化。因此，黄铁矿表面高含量的碳是吸附的CO2和附着的微生物耦合的结果，反映了微生物的存在。     

海水中钢铁锈层的微生物成因及其环境效应

研究了海水环境中钢铁腐蚀产物即锈层中的厌氧微生物群落和锈层矿物特征及其相关性。微生物富集培养和初步的分子生物学分析结果表明,海水钢铁锈层中至少生存有硫酸盐还原细菌和铁还原细菌两种厌氧细菌。使用扫描电子显微镜和电子能谱、X-射线衍射仪等对锈层样品进行了矿物学观察和分析。在外锈层和中间锈层,主要是α,β,γ-FeOOH等铁(水合)氧化物。铁水合硫酸盐即绿锈则主要出现在内锈层。初步讨论了厌氧细菌作用下的铁腐蚀矿物生成和转化过程,并提出钢铁锈层微生物和矿物在海洋环境的微生物修复中可能具有重要作用。     

微生物-金红石协同催化体系还原降解污染物的初步研究

<正>自然环境中天然矿物与微生物在多个层次上存在交互作用并广泛参与环境自净化过程。其中,微生物可通过生物催化作用降解有机污染物(Abderrazik等,2002);而部分天然半导体矿物所具有的可见光催化性能亦可用于处理有机/无