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摘 要：微生物对硅酸盐矿物的风化作用机理取得了一系列重要进展，微生物在相对贫瘠的硅酸盐矿物环境中，由于生存需要迫使微生物利用硅酸盐矿物中的营养元素而使矿物溶解，在矿物侵蚀过程中，细胞代谢产生的有机酸、胞外多糖和胞外多聚物等作用方式也促进了硅酸盐矿物的风化和溶解。
关键词：硅酸盐细菌；硅酸盐矿物；风化；作用机理
风化作用是指使岩石活土壤发生破坏和改变的各种物理、化学和生物作用[1]。
由于硅酸盐细菌能够释放硅酸盐矿物或土壤中的钾、硅等元素，因此，人们认识到微生物对硅酸盐矿物的风化的影响对整个陆地生态系统的建立和岩石圈的演化有着重要意义[2]。近年来，随着分子生物学手段和高分辨率扫描电镜的应用，人们对微生物参与的矿物风化作用有了进一步理解。本文总结了近年来相关的研究进展，从微生物对硅酸盐矿物的风化作用机理进行了论述。
微生物主要通过氧化还原作用、有机酸和胞外聚合物等作用方式风化硅酸盐矿物[3-4]
一.氧化还原作用
真核生物可以通过有氧呼吸作用获得自身生命活动所需的能量，而细菌自身生命活动所需能量的获得则通过对一些电子受体的氧化还原来获得。
二.有机酸的溶解作用
许多研究表明，微生物在代谢过程中分泌的有机酸对矿物的溶解和风化起着重要作用。有机酸对矿物溶解度的增加和Si、Al、K等元素的释放速率有明显的增强作用。袁锐等筛选出三株硅酸盐细菌以黑云母为研究对象进行了摇瓶溶解试验，结果表明，三株菌对矿物的分解能力与其产有机酸的能力呈正比关系，证明菌株在代谢过程中产生的有机酸可以促进细菌对矿物的风化[6]。盛下放等采用细菌和真菌对矿物进行风化试样，通过对风化液的pH值变化和GC-MS分析，结果说明菌体在生长过程中有机酸等代谢产物（主要是丁酸甲酯、甲酸和乙酸）对矿物的风化起重要作用[8]。
王文华等通过使用不同有机酸对钾长石的活化机理的探究表明，在有机酸中，草酸活化钾长石能力最强，其次是柠檬酸、苹果酸和酒石酸[14]。原因是草酸络合能力强，水解能力亦很强，而后三种酸水解能力较弱，以络合溶解为主。孙德四等通过对FXJ菌株与石英的相互作用的研究发现，在发酵过程中有各种有机酸产生，并随着时间的延长有机酸含量降低，说明随着培养液中营养物质的逐步消耗，硅酸盐细菌开始利用自身分泌的有机酸作为繁殖生长的基础[9]。
三.胞外多聚物的作用
微生物在代谢过程中有大量的胞外多糖分泌出来，与蛋白等组成的胞外多聚物（EPS），可使细胞结合在一起构成聚合结构。以胞外多糖为主要成分的胞外多聚物黏附细胞构成生物膜，并在细胞周围形成了一个可以控制的微环境[10]。Banfield等发现生物膜的内部微环境也和周边环境有根本的不同[11]。Illmer等发现所形成的生物膜周边的微环境pH值要更低，原因是细菌对NH4+的同化作用以及自身呼吸都产生H+使pH降低[12]。Khraisheh等通过研究表明硅酸盐矿物被细菌所吸附的作用力主要包括氢键、疏水相互作用力及静电力相互作用[13]。
已有研究表明酸性胞外多糖能和硅酸盐矿物形成复合体并促进矿物的溶解。陈亮等研究了产胞外多糖根瘤菌Q32与硅酸盐矿物的相互作用，研究结果表明，矿物能够刺激细菌产生多糖，且酸性多糖对矿物风化作用更明显[10]。杜叶等发现胶质芽孢杆菌分泌的粘性胞外多糖有助于细菌有效黏附在矿物表面，形成细菌—矿物复合体，改变并维持细菌表面微环境，促进钾的溶出[14]。姚敏杰等采用胶质芽孢杆菌和烟曲霉对蛇纹石和橄榄石进行风化的研究结果表明细菌和真菌的作用方式不同，细菌作用矿物是通过其分泌的多糖等胞外聚合物把矿粉粘结聚集在一起进行作用而真菌则是通过菌丝体附着，包裹矿粉颗粒进行作用的，甚至有矿粉颗粒进入菌丝内部[13]。
由此可见，微生物对硅酸盐矿物的风化和侵蚀作用是在氧化还原、有機酸及胞外多聚物的联合作用下发生的。它们之间相互协同，尤其是有机酸与胞外多聚物的协同效应能够显著滴促进硅酸盐矿物的风化和侵蚀。
参考文献
[1] 李晶莹， 张经. 黄河流域化学风化作用与大气CO_2的消耗 [J]. 海洋地质与第四纪地质， 2003 （02）： 43-49.
[2] 郝丽芳， 安莲英， 殷辉安， 唐明林. 用生物浸矿技术从杂卤石矿中提取钾的可行性分析 [J]. 湿法冶金， 2003 （01）： 19-21.
[3] 荣兴民， 黄巧云， 陈雯莉， 梁巍. 土壤矿物与微生物相互作用的机理及其环境效应 [J]. 生态学报， 2008 （01）： 376-387.
[4] 程良娟. 微生物与矿物相互作用的实验研究 [硕士]： 南京农业大学. 2009.
[5] 吴涛， 陈骏， 连宾. 微生物对硅酸盐矿物风化作用研究进展 [J]. 矿物岩石地球化学通报， 2007 （03）： 263-268+275.
[6] 袁锐. 不同风化程度云母矿物样品表生细菌多样性研究及其溶解矿物机理初探 [硕士]： 南京农业大学. 2012.
[7] 姚敏杰. 含镁硅酸盐矿物的微生物风化作用研究 [硕士]： 贵州大学. 2009.
[8] 王文华， 王东升， 姜戈. 低分子量有机酸对钾长石中结构钾释放的影响研究 [J]. 辽宁农业科学， 2005 （03）： 9-11.
[9] 孙德四， 张贤珍， 张强. 硅酸盐细菌代谢产物对硅酸盐矿物的浸溶作用研究 [J]. 矿冶工程， 2006 （03）： 27-29+34.
[10] 陈亮. 产多糖根瘤菌Q32对硅酸盐矿物的风化作用及其机制研究 [硕士]： 南京农业大学. 2010.
[11] Banfield JF， Barker WW， Welch SA， Taunton A. Biological impact on mineral dissolution： Application of the lichen model to understanding mineral weathering in the rhizosphere [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 1999， 96 （7）： 3404-3411.
[12] Illmer P， Schinner F. Solubilization of inorganic calcium phosphates—Solubilization mechanisms [J]. Soil Biology and Biochemistry， 1995， 27 （3）： 257-263.
[13] Khraisheh MAM， Al-Ghouti MA， Allen SJ， Ahmad MN. Effect of OH and silanol groups in the removal of dyes from aqueous solution using diatomite [J]. Water Research， 2005， 39 （39）： 922-932.
[14] 杜叶， 周雪莹， 连宾. 胶质芽孢杆菌的胞外分泌物与细菌的解钾作用 [J]. 地学前缘， 2008 （06）： 107-111.
关键词：硅酸盐细菌；硅酸盐矿物；风化；作用机理
风化作用是指使岩石活土壤发生破坏和改变的各种物理、化学和生物作用[1]。
由于硅酸盐细菌能够释放硅酸盐矿物或土壤中的钾、硅等元素，因此，人们认识到微生物对硅酸盐矿物的风化的影响对整个陆地生态系统的建立和岩石圈的演化有着重要意义[2]。近年来，随着分子生物学手段和高分辨率扫描电镜的应用，人们对微生物参与的矿物风化作用有了进一步理解。本文总结了近年来相关的研究进展，从微生物对硅酸盐矿物的风化作用机理进行了论述。
微生物主要通过氧化还原作用、有机酸和胞外聚合物等作用方式风化硅酸盐矿物[3-4]
一.氧化还原作用
真核生物可以通过有氧呼吸作用获得自身生命活动所需的能量，而细菌自身生命活动所需能量的获得则通过对一些电子受体的氧化还原来获得。
二.有机酸的溶解作用
许多研究表明，微生物在代谢过程中分泌的有机酸对矿物的溶解和风化起着重要作用。有机酸对矿物溶解度的增加和Si、Al、K等元素的释放速率有明显的增强作用。袁锐等筛选出三株硅酸盐细菌以黑云母为研究对象进行了摇瓶溶解试验，结果表明，三株菌对矿物的分解能力与其产有机酸的能力呈正比关系，证明菌株在代谢过程中产生的有机酸可以促进细菌对矿物的风化[6]。盛下放等采用细菌和真菌对矿物进行风化试样，通过对风化液的pH值变化和GC-MS分析，结果说明菌体在生长过程中有机酸等代谢产物（主要是丁酸甲酯、甲酸和乙酸）对矿物的风化起重要作用[8]。
王文华等通过使用不同有机酸对钾长石的活化机理的探究表明，在有机酸中，草酸活化钾长石能力最强，其次是柠檬酸、苹果酸和酒石酸[14]。原因是草酸络合能力强，水解能力亦很强，而后三种酸水解能力较弱，以络合溶解为主。孙德四等通过对FXJ菌株与石英的相互作用的研究发现，在发酵过程中有各种有机酸产生，并随着时间的延长有机酸含量降低，说明随着培养液中营养物质的逐步消耗，硅酸盐细菌开始利用自身分泌的有机酸作为繁殖生长的基础[9]。
三.胞外多聚物的作用
微生物在代谢过程中有大量的胞外多糖分泌出来，与蛋白等组成的胞外多聚物（EPS），可使细胞结合在一起构成聚合结构。以胞外多糖为主要成分的胞外多聚物黏附细胞构成生物膜，并在细胞周围形成了一个可以控制的微环境[10]。Banfield等发现生物膜的内部微环境也和周边环境有根本的不同[11]。Illmer等发现所形成的生物膜周边的微环境pH值要更低，原因是细菌对NH4+的同化作用以及自身呼吸都产生H+使pH降低[12]。Khraisheh等通过研究表明硅酸盐矿物被细菌所吸附的作用力主要包括氢键、疏水相互作用力及静电力相互作用[13]。
已有研究表明酸性胞外多糖能和硅酸盐矿物形成复合体并促进矿物的溶解。陈亮等研究了产胞外多糖根瘤菌Q32与硅酸盐矿物的相互作用，研究结果表明，矿物能够刺激细菌产生多糖，且酸性多糖对矿物风化作用更明显[10]。杜叶等发现胶质芽孢杆菌分泌的粘性胞外多糖有助于细菌有效黏附在矿物表面，形成细菌—矿物复合体，改变并维持细菌表面微环境，促进钾的溶出[14]。姚敏杰等采用胶质芽孢杆菌和烟曲霉对蛇纹石和橄榄石进行风化的研究结果表明细菌和真菌的作用方式不同，细菌作用矿物是通过其分泌的多糖等胞外聚合物把矿粉粘结聚集在一起进行作用而真菌则是通过菌丝体附着，包裹矿粉颗粒进行作用的，甚至有矿粉颗粒进入菌丝内部[13]。
由此可见，微生物对硅酸盐矿物的风化和侵蚀作用是在氧化还原、有機酸及胞外多聚物的联合作用下发生的。它们之间相互协同，尤其是有机酸与胞外多聚物的协同效应能够显著滴促进硅酸盐矿物的风化和侵蚀。
参考文献
[1] 李晶莹， 张经. 黄河流域化学风化作用与大气CO_2的消耗 [J]. 海洋地质与第四纪地质， 2003 （02）： 43-49.
[2] 郝丽芳， 安莲英， 殷辉安， 唐明林. 用生物浸矿技术从杂卤石矿中提取钾的可行性分析 [J]. 湿法冶金， 2003 （01）： 19-21.
[3] 荣兴民， 黄巧云， 陈雯莉， 梁巍. 土壤矿物与微生物相互作用的机理及其环境效应 [J]. 生态学报， 2008 （01）： 376-387.
[4] 程良娟. 微生物与矿物相互作用的实验研究 [硕士]： 南京农业大学. 2009.
[5] 吴涛， 陈骏， 连宾. 微生物对硅酸盐矿物风化作用研究进展 [J]. 矿物岩石地球化学通报， 2007 （03）： 263-268+275.
[6] 袁锐. 不同风化程度云母矿物样品表生细菌多样性研究及其溶解矿物机理初探 [硕士]： 南京农业大学. 2012.
[7] 姚敏杰. 含镁硅酸盐矿物的微生物风化作用研究 [硕士]： 贵州大学. 2009.
[8] 王文华， 王东升， 姜戈. 低分子量有机酸对钾长石中结构钾释放的影响研究 [J]. 辽宁农业科学， 2005 （03）： 9-11.
[9] 孙德四， 张贤珍， 张强. 硅酸盐细菌代谢产物对硅酸盐矿物的浸溶作用研究 [J]. 矿冶工程， 2006 （03）： 27-29+34.
[10] 陈亮. 产多糖根瘤菌Q32对硅酸盐矿物的风化作用及其机制研究 [硕士]： 南京农业大学. 2010.
[11] Banfield JF， Barker WW， Welch SA， Taunton A. Biological impact on mineral dissolution： Application of the lichen model to understanding mineral weathering in the rhizosphere [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 1999， 96 （7）： 3404-3411.
[12] Illmer P， Schinner F. Solubilization of inorganic calcium phosphates—Solubilization mechanisms [J]. Soil Biology and Biochemistry， 1995， 27 （3）： 257-263.
[13] Khraisheh MAM， Al-Ghouti MA， Allen SJ， Ahmad MN. Effect of OH and silanol groups in the removal of dyes from aqueous solution using diatomite [J]. Water Research， 2005， 39 （39）： 922-932.
[14] 杜叶， 周雪莹， 连宾. 胶质芽孢杆菌的胞外分泌物与细菌的解钾作用 [J]. 地学前缘， 2008 （06）： 107-111.