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关键带中天然半导体矿物光电子的产生与作用 总被引：1，自引：0，他引：1
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。 相似文献
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地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物，但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子，提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高，在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量，是目前所发现的最高的矿物光电子能量，不仅能直接还原CO2分子为甲酸物质，还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖，光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流，显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体，地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn4CaO5与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源，矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。 相似文献
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地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物,但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子,提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高,在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量,是目前所发现的最高的矿物光电子能量,不仅能直接还原CO2分子为甲酸物质,还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖,光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流,显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体,地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn4CaO5与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源,矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。 相似文献
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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。 相似文献
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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
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《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
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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
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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
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地球上生物因受到太阳光辐射作用而进化出结构精致的光合作用系统。太阳光辐射对地球表面广泛分布的无机矿物的影响与响应机制长期未被重视与理解。我们新发现的地表“矿物膜”转化太阳能系统,具有潜在的产氧固碳作用,体现出自然界中固有的矿物光电效应与非经典光合作用。本文在总结自然界中矿物光电子能量特征,特别是地表“矿物膜”特征及其光电效应性能的基础上,重点探讨铁锰氧化物矿物表现出的光电效应、产氧固碳作用与地质记录。提出矿物享有光电效应特性,地表“矿物膜”富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物,在日光辐射下具有稳定而灵敏的光电转换性能,产生矿物光电子能量;提出矿物拥有非经典光合作用的性能,自然界无机矿物转化太阳能系统类似生物光合作用吸收转化太阳能的产氧固碳系统,地表“矿物膜”光催化裂解水产氧作用及其转化大气和海洋二氧化碳为碳酸盐矿物作用,孕育出“矿物光合作用”;提出矿物具有促进生物光合作用的功能,生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的锰簇化合物结构体,初步认为水钠锰矿可能促使蓝细菌光合作用系统的起源,矿物影响与削弱水分子氢键以改变水的性质,可提高水的分解程度与光合作用效率,为进一步探索矿物促进生物光合作用机理提供科学技术突破的机遇。 相似文献
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在简述半导体光催化理论及TiO2多相光催化作用近30年研究现状的基础上，重点对国内外一直处于空白状态的天然含钒金红石光催化性能进行研究。天然含钒金红石中部分Ti^4 被V^5 包括Fe^3 、Cu^2 和Zn^2 等杂质离子替代可引起其晶格畸变与缺陷。机械粉碎到70～80μm后可使其晶胞膨胀0.33％，原位加热700～1100℃其晶胞可膨胀0．93％～2．13％，淬火改性其晶胞收缩0．01％～0．07％。受热改性其体相中V^5 向表面偏析。对晶格畸变的修复可表现为晶面重构和再结晶作用及微应力释放作用。粉碎的金红石对卤代烃三氯乙烯和四氯乙烯具有一定的降解效果而表现出良好的光催化活性。加热1000℃，金红石对卤代烃的降解率明显提高。淬火1000℃和1100℃，金红石对卤代烃的降解速度大大加快。而电子辐射金红石对三氯乙烯的降解率则明显降低。通过52种金属氧化物和金属硫化物半导体矿物的初步研究，发现大多数金属氧化物矿物产生光电子的波长范围是249～777nm，吸收光主要是可见光。而大多数金属硫化物矿物产生光电子的最大波长大于921nm，吸收光主要是红外光，充分表明无机界具有光催化功能的半导体在可见光条件下就可以产生光电子与空穴。系统开展无机界矿物光催化作用研究，对揭示地球生命过程和环境演化有着不可替代的作用，对氧化降解地球表层系统中有机污染物尤其是不能自行降解的持久性有机污染物有着至关重要的作用。 相似文献
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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
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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。 相似文献
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作为生物矿物一种十分重要的类型,生物成因硫化物矿物形成于多种海水和淡水环境中.它们是自然界硫和金属元素循环中的关键一环,并有可能在地球早期生命起源中扮演了重要的角色.现代环境中形成的生物成因硫化物矿物与多种生命过程有着十分密切的联系,微生物和大型生物均可直接或间接地影响生物成因硫化物矿物的形成.重点从生物成因硫化物矿物类型、参与生物矿化的有机体、生物成因硫化物矿物形成机制以及硫化物矿物与生命起源的关系等几个方面综述了生物成因硫化物矿物研究的最新进展. 相似文献
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化能自养型微生物利用太阳能途径的实验研究 总被引：2，自引：0，他引：2
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. 相似文献
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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。 相似文献
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《矿物岩石地球化学通报》2018,(6)
大洋中脊超基性岩的蛇纹石化是普遍的地质过程,反应产生了蛇纹石、水镁石、磁铁矿等并释放氢,该过程可为洋中脊化能自养型微生物提供能量和生命物质,是生命起源主要的水岩变质反应。然而,在生命起源初期全球高浓度的CO_2使超基性岩(包括科马提岩)同时发生蛇纹石化和碳酸盐化,这种情况下初始生命物质的产生机制与在洋中脊热液环境中截然不同。本文结合近年来有关超基性岩蛇纹石化和碳酸盐化的研究成果,系统介绍了贫CO_2和富CO_2条件下,超基性岩的蚀变机制、化学反应、蛇纹石化和碳酸盐化的耦合关系,以及氢气释放的有效途径及其制约因素,以增进对初始生命物质来源和生命起源演化的理解。 相似文献
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《矿物岩石地球化学通报》2016,(2)
正编者按语:生命起源/演化是重大而又最具争议的科学问题。对蛇纹石化超基岩寄主生物圈的研究,有望获得地球上古老而独特的前生命/生命有机质成因和演化的重要信息。超基性岩蛇纹石化生成非生物成因烷烃与其他有机化合物,为化能自养微生物群落提供了所需要的能量和初始物质,是生命起源最重要的变质水化反应。本专辑收录了王先彬和张明峰课题组,研究蛇绿岩中蛇纹石化橄榄岩的部分成果。该组论文从研究区地质-构造背景,岩石-矿 相似文献
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《矿物岩石地球化学通报》2016,(2)
超基性岩蛇纹石化为化能自养微生物群落提供了所需要的能量和初始物质,是生命起源最重要的变质水化反应。研究显示,蛇纹石化橄榄岩中有两种来源的有机化合物,一是蛇纹石化期间,在还原和高浓度H_2条件下,通过费-托合成反应产生的非生物成因有机化合物;另一是海洋有机质热降解和/或包含微生物活动残留的有机化合物。但要确定后者与生命演化的相关性和同生性,尚缺乏必要和充分的证据。 相似文献