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1.
微生物—矿物间半导体介导电子传递机制研究进展 总被引：1，自引：0，他引：1
《地球科学进展》2016,(4)
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。 相似文献
2.
《吉林大学学报(地球科学版)》2015,(Z1)
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。 相似文献
3.
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。 相似文献
4.
矿物-微生物交互作用广泛参与地球表层系统物质循环与能量流动过程,深刻地影响着一系列重要的地表生物地球化学进程。近年来地表半导体矿物的相关研究,为矿物-微生物交互作用提供了崭新研究方向,揭示地表“日光-半导体矿物-微生物”系统电子传递过程及其环境效应,是地质微生物学交叉领域研究的核心科学问题之一。本研究从地表不同生境“矿物膜”出发,以光电化学技术证实喀斯特、红壤、岩石漆“矿物膜”在1 000 min长时间循环实验中平均光电流值约为5.4、3.4、3.2 μA/cm2,证实“矿物膜”良好日光响应特性且铁锰氧化物矿物在其中发挥核心作用。基于笔者前期研究所发现的“矿物膜”电活性菌富集且与半导体矿物分布呈正相关性这一现象,本文进一步构建模拟光电子红壤细菌群落系统,20天后细菌群落α多样性显著提升,研究证实细菌群落具有模拟光电子响应活性,且电极与溶液群落均具有演化方向性;16S rRNA测序分析表明模拟光电子作用下Shewanella、Pseudomonas、Streptococcus、Lactobacillus、Acinetobacter等电活性菌显著富集。综上,本文研究结果间接证实地表半导体矿物光电子可有效调控微生物群落结构并促进电活性菌在“矿物膜”中富集。 相似文献
5.
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。 相似文献
6.
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。 相似文献
7.
《矿物岩石地球化学通报》2017,(1)
为了研究天然赤铁矿对微生物胞外电子传递机制,以长沙和海口红壤为例,构建了双室反应体系对红壤微生物与天然赤铁矿间氧化还原作用及胞外电子传递过程进行表征。研究显示,增加赤铁矿作为电子受体后,长沙与海口红壤体系开路电压由425.28、414.64 m V提升至511.46、532.52 m V,最大输出功率由221.5、171.0 m W/m~3提升至431.4、260.2 m W/m~3。电化学循环伏安测试显示在0.43、0.55 V(相对于饱和甘汞电极;vs.SCE)处出现Fe(Ⅲ)还原峰及Fe(Ⅱ)氧化峰,指证新氧化还原反应的引入。电化学阻抗谱(EIS)拟合结果显示赤铁矿电极极化内阻R_p自44840Ω降至665Ω,从动力学层面表明电极反应导致的电势降低有利于电子转移。实验研究结果表明,红壤环境中以赤铁矿为代表的铁氧化物能够有效参与并促进微生物胞外电子传递。 相似文献
8.
地表“矿物膜”:地球“新圈层” 总被引：1，自引：0，他引：1
地球表层是一个极为复杂的开放系统,其中所充满的阳光、大气、水分、有机酸、无机酸/盐、矿物质和微生物等彼此之间无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的多种自然作用。本文采用环境矿物学、半导体物理学与光电化学等交叉学科研究手段,在我国南方红壤、西南喀斯特和西北戈壁等典型陆地生境中,发现直接暴露于太阳光下的土壤/岩石表面广泛发育有几十纳米到数百微米厚度的铁锰氧化物"矿物膜";详细研究了铁锰氧化物"矿物膜"中矿物组成及其精细结构特征,发现半导体性能优异的水钠锰矿普遍存在,其晶体结构中富含促进其光催化功能的稀土元素Ce。在这些生境中,矿物岩石表面所包覆的铁锰氧化物"矿物膜"总是朝着太阳光发育,岩石背面却不出现"矿物膜",揭示出太阳光照射下的地球陆地表面普遍存在的"矿物膜"与太阳光有着直接的响应关系。光电化学测试结果显示,天然"矿物膜"具有较好的日光响应性能,由其制成的电极在可见光照射下皆能产生明显的光电流,而不含铁锰氧化物矿物的岩石基质样品及石英、长石等矿物样品几乎不产生光电流,表明"矿物膜"光电流的产生主要与铁锰氧化物有关。进一步测得"矿物膜"中主要铁锰氧化物的禁带宽度均小于2. 5eV,证明其均为对可见光具有广泛而良好吸收的天然半导体矿物。以全球日光平均辐照强度100mW/cm~2计以及全球典型生境中"矿物膜"分布面积估算,全球"矿物膜"吸收太阳能等效为生物质能的最大量与2017年度全球糖类产量(1. 92亿吨)相当。铁锰氧化物"矿物膜"不仅存在于陆地地表,还存在于海洋透光层中。可以认为地表"矿物膜"是地球上分布最广的天然"太阳能薄膜",从功能上"矿物膜"相当于继地核、地幔和地壳之后的地球第四大圈层,事实上构成了地球"新圈层",也是地球在太阳光能量驱动下发生外营力地质作用的关键地带。在此基础上,本文提出从"矿物膜"中产生的矿物光电子与太阳光子和元素价电子共同组成了地表存在的三种主要能量形式的认识。深入探讨太阳光照射下地表多圈层交互作用界面上所发生的电子传递与能量转化的微观机制,有助于深刻理解地表"矿物膜"这一地球"新圈层"如何影响地球物质演化、生命起源进化与环境变化演变的宏观过程。 相似文献
9.
甲烷(CH?)不仅是自然界产生的重要温室气体,也是人类已经推广利用的可再生能源之一.作为自然界广泛存在的矿物,铁氧化物同厌氧微生物的交互作用对产甲烷过程具有显著的影响.主要针对不同铁氧化物-厌氧微生物体系内的产甲烷效率,铁氧化物及微生物群落演化,铁氧化物的作用机制等进行总结分析.铁氧化物在微生物的作用下会发生溶解、还原并可能产生新的矿物.而铁氧化物的直接和间接影响微生物群组成,进而影响产甲烷过程,主要体现在4个方面:(1)铁氧化物溶解及生物还原产生的Fe~(3+)/Fe~(2+)影响微生物活性和体系氧化还原电位;(2)铁还原菌和产甲烷菌竞争产甲烷基质;(3)铁氧化物对产甲烷菌的直接抑制毒性;(4)具有导电性能的铁氧化物可以作为电子传递媒介促进铁还原菌或脂肪酸氧化菌与产甲烷菌之间的直接电子传递过程.最后,探讨了铁氧化物促进产甲烷过程尚需解决的主要问题及研究趋势,以期推动铁氧化物-厌氧微生物交互作用及其环境效应方面的研究工作. 相似文献
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微生物对碳酸盐岩的风化作用 总被引：7，自引：0，他引：7
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。 相似文献
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Xiaotong Peng Jiangtao Li Jiwei Li Shun Chen Huiqiang Yao Zijun Wu 《Sedimentary Geology》2010,229(4):193-368
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. 相似文献
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Amino acid composition of suspended particles,sediment-trap material,and benthic sediment in the Potomac Estuary 总被引：1，自引：0，他引：1
Sediment trap deployments in estuaries provide a method for estimating the amount of organic material transported to the sediments from the euphotic zone. The amino acid composition of suspended particles, benthic sediment, and sediment-trap material collected at 2.4 m, 5.8 m, and 7.9 m depths in the Potomac Estuary was determined in stratified summer waters, and in well-mixed oxygenated waters (DO) in late fall. The total vertical flow, or flux, of material into the top traps ranged from 3 g m?2 d?1 in August to 4.9 g m?2 d?1 in October. The carbon and nitrogen fluxes increased in the deepest traps relative to the surface traps during both sampling periods, along with that of the total material flux (up to 47.3 g m?2 d?1 in the deepest trap), although the actual weight percent of organic carbon and organic nitrogen decreased with depth. Amino acid concentrations ranged from 129 mg g?1 in surface water particulate material to 22 mg g?1 in particulate material in 9-m-deep waters and in the benthic sediment. Amino acid concentrations from 2.4-mg-depth sediment traps averaged 104±29 mg g?1 in stratified waters and 164±81 mg g?1 in well-mixed waters. The deep trap samples averaed, 77.3±4.8 mg g?1 amino acids in summer waters and 37±16 mg g?1 in oxygenated fall waters. Amino acids comprised 13% to 39% of the organic carbon and 12% to 89% of the orgnaic nitrogen in these samples. Analysis of the flux results suggest that resuspension combined with lateral advection from adjacent slopes can account for up to 27% of the material in the deep traps when the estuary was well-mixed and unstratified. When the estuary was stratified in late summer, the amino acid carbon produced by primary productivity in the euphotic zone decreased by 85% (86% for total organic carbon) at the pycnocline at 6 m depth, leaving up to 15% of the vertical organic flux available for benthic sediment deposition. 相似文献
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华南离子吸附型稀土矿床提供了全球超过90%的重稀土,是我国优势的战略性关键金属矿产资源。掌握这类矿床的成矿机制和禀赋特征,可为增加稀土资源储量和高效利用稀土资源提供理论支撑。离子吸附型稀土矿床主要发育在富稀土花岗岩、浅变质岩及火山岩的风化壳中。基岩中的(含)稀土矿物是风化壳中离子态稀土的主要来源,其矿物组合很大程度上决定了稀土矿床的禀赋和分异特征。在物理-化学风化和微生物作用下,造岩矿物、含稀土矿物和稀土独立矿物逐渐溶解,使稀土元素活化和再富集。一方面,母岩风化形成的黏土矿物和铁锰氧化物具有较大的比表面积和一定的表面电荷密度,是稀土离子的主要载体;另一方面,稀土离子通过离子交换、表面吸附与络合、共沉淀,以及形成次生稀土矿物等途径富集在次生矿物表面,其富集-分异特征和赋存状态受矿物类型、pH、微生物活动等因素所控制。利用高分辨透射电镜结合选区电子衍射和电子能量损失谱,以及同步辐射X射线吸收精细结构谱,有望在原子级尺度查明稀土的微观赋存状态。未来研究需更多关注基岩中(含)稀土矿物组合及其演化路径的制约因素、微生物风化对离子吸附型稀土矿床成矿作用的约束,以及稀土元素的微观赋存状态等问题。 相似文献
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郯庐断裂带地温场研究 总被引：5，自引：0，他引：5
笔者根据郯庐断裂带两侧(东经115°-121°、北纬30°-40°)117个热流数据,绘制了该区热流值平面图,并从断裂带两侧热流值的分布及高、中、低热流值频度分布特点,得出该断裂带中、南段(鲁西、皖北地区)热流值在50-80mW/m2范围内的频度最高,总平均值为67.67mW/m2,明显高于全球平均值(63mW/m2),也比中国大陆平均值(66mW/m2)略为偏高。沿断裂带存在一条明显的热流梯度递变带,东侧平均热流值(67.78mW/m2)明显高于西侧平均值(55.35mW/m2)。3条热流值剖面图显示由西向东穿过断裂带热流值有台阶、折线及跳跃型上升特点。笔者认为,这种东高西低的形貌反映了郯庐断裂带东、西侧地壳结构存在明显差异,这种差异与地震测深、大地电磁测深等地球物理量反映的东侧下地壳存在低速低阻层及莫霍面位置偏高相一致。 相似文献
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岩石矿物的微生物风化是地球表层系统最为活跃和普遍发生的地质营力之一。微生物对含钾岩石(以硅酸盐矿物为主)的风化能够释放其中的钾、硅和钙等元素,并在合适的环境条件下促进矿物元素的碳酸化沉淀,这是地表元素地球化学循环的重要环节之一。微生物对岩石的生物转化作用既涉及微生物的生长繁殖和代谢调控,也与元素的迁移转化和次生矿物的演化序列有关,具有重要研究价值。采用矿物学、微生物学和分子生物学等相结合的研究方法,有助于系统地研究微生物促进含钾硅酸盐矿物的风化并耦联碳酸化过程及其分子调控机制。研究证实,在纯培养条件下,微生物风化含钾矿物主要采用酸解、螯合、氧化还原等多种方式的协同作用,并可通过调控相关功能基因的表达来响应缺钾的环境以实现其对含钾矿物的有效风化,显然这有赖于微生物通过长期进化而形成的精细的分子调控机制。在土壤生态环境中,微生物对矿物风化的显著特征是该生态环境中微生物群落协同互作的群体作用效应。微生物碳酸酐酶参与的硅酸盐矿物风化伴随碳酸盐矿物的形成过程可能是个长期被忽视的地表碳增汇过程,对该问题的深入探索有助于进一步理解地质演化历史中微生物对碳素迁移转化的驱动机制。加入含钾硅酸盐矿粉的有机肥已经显示出其在土壤改良、作物生长和增加土壤碳汇等方面的正面应用效果,这为利用硅酸盐矿物的生物风化作用来延缓大气CO2浓度的持续升高提供了新的思路。介绍了有关微生物对含钾岩石生物转化释放钾素的分子机理及其碳汇效应方面的研究进展,以期抛砖引玉,推动该领域研究的快速发展。 相似文献
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S. M. Zhmodik Yu. A. Kalinin N. A. Roslyakov A. G. Mironov Yu. L. Mikhlin D. K. Belyanin N. A. Nemirovskaya A. M. Spiridonov G. V. Nesterenko E. V. Airiyants T. N. Moroz T. A. Bul’bak 《Geology of Ore Deposits》2012,54(2):141-154
Formation of noble metal nanoparticles is related to various geological processes in the supergene zone. Dispersed mineral phases appear during weathering of rocks with active participation of microorganisms, formation of soil, in aqueous medium and atmosphere. Invisible gold and other noble metals are incorporated into oxides, hydroxides, and sulfides, as well as in dispersed organic and inorganic carbonic matter. Sulfide minerals that occur in bedrocks and ores unaltered by exogenic processes and in cementation zone are among the main concentrators of noble metal nanoparticles. The ability of gold particles to disaggregate is well-known and creates problems in technological and analytical practice. When Au and PGE nanoparticles and clusters occur, these problems are augmented because of their unusual reactions and physicochemical properties. The studied gold, magnetite, titanomagnetite and pyrite microspherules from cementation zone and clay minerals of laterites in Republic of Guinea widen the knowledge of their abundance and inferred formation conditions, in particular, in the contemporary supergene zone. Morphology and composition of micrometer-sized Au mineral spherules were studied with SEM and laser microprobe. The newly formed segregations of secondary gold on the surface of its residual grains were also an object of investigation. The character of such overgrowths is the most indicative for nanoparticles. The newly formed Au particles provide evidence for redistribution of ultradispersed gold during weathering. There are serious prerequisites to state that microorganisms substantially control unusual nano-sized microspherical morphology of gold particles in the supergene zone. This is supported by experiments indicating active absorption of gold by microorganisms and direct evidence for participation of Ralstonia metallidurans bacteria in the formation of peculiar corroded bacteriomorphic surface of gold grains. In addition, the areas enriched in carbon and nitrogen have been detected with SEM on the surface of gold spherules from Guinea. Such organic compounds as serine, alanine, and glycine are identified on their surface with Raman spectroscopy. The experiments have been carried out and new data have been obtained indicating the role of micromycetes in concentration and distribution of noble metals in ferromanganese nodules of the World Ocean. Au and Pt were detected in the system with radioisotopes. It has been established that two forms of gold distribution develop within pseudomorphs of fungi colonies: (1) as pseudomorphic concentrates and (2) dispersed form unrelated to the colony structure. Inhomogeneities in distribution of dispersed platinum are manifested in the form of linear anomalies with elevated concentrations at the margins of the colonies. 相似文献
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V. N. Lukashin 《Geochemistry International》2008,46(7):711-723
This paper reports the results of a geochemical study of suspended particulate matter and particle fluxes in the Norwegian Sea above the Bear Island slope. The concentrations of suspended particles and the main components of suspended matter were determined in the euphotic, intermediate (“clean water”), and bottom nepheloid layers. It was shown that biogenic components are predominant in the water above the nepheloid layer, whereas the suspended matter of the nepheloid layer is formed by the resuspension of the lithogenic components of bottom sediments. The chemical compositions of suspended matter and material collected in sediment traps are identical. 相似文献