何文鳴+陳防

摘要：從棉花根際土壤中篩選、分離、純化了硅酸鹽解鉀菌，進(jìn)行了硅酸鹽解鉀菌與7種含鉀礦物在厭氧密閉系統(tǒng)中的生物風(fēng)化解鉀試驗(yàn)，探討了硅酸鹽解鉀菌對(duì)不同含鉀礦物生物風(fēng)化作用的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物風(fēng)化反應(yīng)釋放出K+最多的前3個(gè)組合是白云母和QY17、黑云母和QY19、白云母和QY19，反應(yīng)釋放出K+的量分別為1 235.76、1 010.71、916.61 μg/g。生物風(fēng)化反應(yīng)固定K+最多的4個(gè)組合是黑云母和QY4、蒙脫石和QY3、黑云母和QY10、高嶺石和QY17，反應(yīng)中含K礦石固定K+的量分別為78.35、39.92、32.71、22.56 μg/g。形成差異的原因可能是硅酸鹽解鉀菌（包括其次生代謝物）與含鉀礦物的晶體結(jié)構(gòu)之間的雙向選擇過(guò)程。硅酸鹽解鉀菌濃度越大，硅酸鹽解鉀菌類(lèi)群對(duì)礦物生物風(fēng)化作用有選擇性傾向越明顯。造成硅酸鹽解鉀菌的解鉀數(shù)量、速率的差異的原因是界面交換過(guò)程的不同，機(jī)理是硅酸鹽解鉀菌（次生代謝物）與含鉀礦物之間空間構(gòu)效關(guān)系（CQSAR）。風(fēng)化作用是硅酸鹽細(xì)菌剝蝕作用、機(jī)械破碎、次生有機(jī)酸解鉀過(guò)程交替循環(huán)所產(chǎn)生的。腐殖酸的加入促進(jìn)了硅酸鹽解鉀菌解鉀的過(guò)程，延長(zhǎng)了解鉀時(shí)間，同時(shí)向硅酸鹽解鉀菌提供C、N養(yǎng)分。

關(guān)鍵詞：含鉀礦物;硅酸鹽解鉀菌;生物風(fēng)化;空間構(gòu)效關(guān)系

中圖分類(lèi)號(hào)：S154 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2014）12-2754-09

Selective Bio-weathering Potassium-bearing Mineral by Silicate Bacteria

HE Wen-ming1，2，3，CHEN Fang2，4

（1. School of Chemistry and Environment， Jiaying University， Meizhou 514015， Guangdong， China;

2.Key Laboratory of Aquatic and Watershed Ecology，Wuhan Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 410074，China;

3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China; 4.International Plant Nutrition Institute，Wuhan 430074，China）

Abstract： The silicate bacteria were isolated and purified from cottons rhizosphere. The biological weathering experiments by silicate bacterium with muscovite，kaolinite，biotite，potassium feldspar，smectite，illite，vermiculite were conducted in anaerobic airtight system. The laws of the silicate bacteria with different potassium mineral biological weathering were investigated. The ?results showed that in biological weathering reactions，the first three combinations of releasing K+ were QY17 + muscovite，muscovite + QY19，biotite + QY19 with the releasing amounts of K+ of 1 235.76 μg/g，1 010.71 μg/g， and 916.61 μg/g，respectively. The first four combinations of fixed K+ were biotite + QY4，smectite + QY3，biotite + QY10，kaolinite+QY17. The fixed amounts of K+ were 78.35 μg/g，39.92 μg/g，32.71 μg/g，22.56 μg/g，respectively. The reason maybe be double-choice process between silicate bacteria（and its secondary metabolites） and potassium mineral crystal structure. The cause of differences of releasing potassium ions in quantity and rate was the different interface exchange process between the silicate bacteria and potassium mineral. The mechanism was quantitative structure-activity relationship（QSAR） between the silicate bacteria （secondary metabolites） and potassium mineral. Weathering denudation is a cycle process of silicate bacteria biological weathering，mechanical crushing，and secondary organic acid depolymerization. Humic acid had the capacity of promoting release of K+ and extending the interaction time in the process of biological weathering. C，N nutrient elements were provided for silicate bacteria at the same time.

Key words： potassium-bearing mineral; silicate bacteria; biological weathering; quantitative structure-activity relationship （QSAR）

礦石中結(jié)構(gòu)鉀可以風(fēng)化成植物可直接利用的水溶性鉀，以維持作物生長(zhǎng)[1]。根系的生命活動(dòng)和根區(qū)有機(jī)質(zhì)的微生物分解增加了根際土壤酸度，同時(shí)促使鉀從云母（金云母）的三八面體中釋放，誘導(dǎo)蛭石的形成，釋放出蒙脫石和蛭石羥基晶體層間的K+。目前以含鉀礦物為材料，對(duì)硅酸鹽解鉀菌在生物風(fēng)化作用下向作物提供鉀素的研究取得了一定的進(jìn)展[2，3]。Puente等[4]將玉米和小麥植物的根瘤菌接種到廢棄云母上，并種植上玉米和小麥，研究發(fā)現(xiàn)廢棄云母發(fā)生生物風(fēng)化，釋放的K+可以滿足植物的生長(zhǎng)。Basak等[1]和Naderizadeh等[5]對(duì)廢云母接種了具有鉀增溶作用的微生物（mucilaginosus細(xì)菌）來(lái)研究鉀動(dòng)態(tài)釋放，發(fā)現(xiàn)廢云母可有效地為蘇丹草提供鉀素營(yíng)養(yǎng)。

硅酸鹽解鉀菌吸附在礦物表面，由此引起的侵蝕作用是含鉀礦物風(fēng)化的重要環(huán)節(jié)。礦物微生物風(fēng)化有三種途徑：硅酸鹽解鉀菌呼吸作用產(chǎn)生碳酸促進(jìn)含鉀礦物的溶解[6];次生有機(jī)酸（包括微生物胞外聚合物，EPS）與礦物表面發(fā)生表面溶解，如碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物等[7，8];硅酸鹽解鉀菌與復(fù)合礦物（金屬硫化物或角閃石、輝石）發(fā)生氧化還原反應(yīng)[9]。關(guān)于硅酸鹽解鉀菌對(duì)含鉀礦物的風(fēng)化機(jī)理先后提出了酸解、絡(luò)解、酶解、堿解、氧化還原作用以及夾膜吸收等多種觀點(diǎn)[2，3]，實(shí)際過(guò)程是幾種化學(xué)作用共同作用的。因?yàn)樽饔脵C(jī)理和微環(huán)境（種類(lèi)、濃度、溶液粘度、離子強(qiáng)度）的界面過(guò)程不同，含鉀的次生礦物的種類(lèi)、形態(tài)各異。同時(shí)，次生代謝物引起的物理和化學(xué)風(fēng)化作用會(huì)逐漸增強(qiáng)。Xiao等[10]在分子層面揭示了真菌風(fēng)化含鉀礦物質(zhì)的有效機(jī)制，研究表明含鉀礦物與有機(jī)酸、碳酸、氧化還原參與者分子能夠加速風(fēng)化的過(guò)程。硅酸鹽風(fēng)化消耗了二氧化碳，這為微生物參與硅酸鹽和碳酸鹽巖地層的風(fēng)化研究提供了分子證據(jù)。

對(duì)礦物的微生物風(fēng)化途徑和風(fēng)化機(jī)理，學(xué)者們提出了一系列不同的觀點(diǎn)。微生物附著在礦物表面的侵蝕作用被認(rèn)為是促進(jìn)礦物分解的主要機(jī)制。在微生物的參與下，礦物的溶解顯著大于在無(wú)菌條件下的溶解[11]。吸附于礦物表面的微生物可以侵蝕礦物，形成大量侵蝕坑[12]，不僅風(fēng)化速率有顯著提高，而且作用機(jī)制也有差異[13，14]。Rodriguz-Leiva等[15]以及Sanhueza等[16]發(fā)現(xiàn)硅酸鹽解鉀菌優(yōu)先選擇結(jié)晶度低的礦物顆粒表面吸附。Liu等[17]認(rèn)為表面侵蝕是硅酸鹽解鉀菌分解礦物的主要方式。Schippers等[18]認(rèn)為硅酸鹽解鉀菌的吸附及其對(duì)礦物表面的侵蝕作用是礦物風(fēng)化過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。連賓[19]則認(rèn)為硅酸鹽解鉀菌能使礦物晶格層間距增大。盛下放等[20]研究發(fā)現(xiàn)硅酸鹽解鉀菌能夠破壞鉀長(zhǎng)石的晶格結(jié)構(gòu)并使礦物中的鉀釋放出來(lái)，從而增加溶液中游離鉀的濃度。微生物在礦物表面的附著會(huì)提升礦物的分解速率，在礦物-硅酸鹽解鉀菌微環(huán)境界面，化學(xué)活性物質(zhì)在細(xì)胞和礦物表面間的化學(xué)組成呈現(xiàn)復(fù)雜的帶狀結(jié)構(gòu)[21]。微生物表面化學(xué)基團(tuán)與礦物表面的金屬元素螯合導(dǎo)致了金屬元素的溶出和礦物分解[22-24]。生物膜一方面可使微生物在礦物表面的附著更為牢固[25]，同時(shí)為生物-礦物間物質(zhì)交換和化學(xué)反應(yīng)提供最為活躍的微觀環(huán)境[26]。真菌釋放的羧酸和碳酸對(duì)礦物的剝蝕有顯著的增強(qiáng)作用[27]。雖然大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為微生物對(duì)礦物的風(fēng)化是生物地球化學(xué)循環(huán)的一個(gè)主要推動(dòng)力，但是對(duì)微生物活動(dòng)在遷移、轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制和礦物循環(huán)過(guò)程中細(xì)菌對(duì)礦物風(fēng)化的影響仍然缺乏了解[28，29]。

本研究根據(jù)微生物在礦物表面附著的驅(qū)動(dòng)力和影響因素差異，通過(guò)晶體微觀結(jié)構(gòu)揭示礦物微生物風(fēng)化的微觀機(jī)制，從生物地球化學(xué)的角度闡述硅酸鹽解鉀菌在礦物選擇性風(fēng)化過(guò)程的作用，揭示土壤硅酸鹽解鉀菌與含鉀礦物風(fēng)化的選擇關(guān)系。據(jù)此，采取了三個(gè)步驟研究了硅酸鹽解鉀菌對(duì)含鉀礦物的選擇性風(fēng)化機(jī)理。第一，從鉀高效基因型（high K-efficiency genotype，HEG）和鉀低效基因型（low K-efficiency genotype，LEG）棉花根際土壤分離篩選出15種硅酸鹽解鉀菌;第二，將其與白云母、高嶺石、黑云母、鉀長(zhǎng)石、蒙脫石、伊利石、蛭石等7種不同含鉀礦物作用，進(jìn)行礦物分解實(shí)驗(yàn);第三，以實(shí)驗(yàn)分析為基礎(chǔ)，基于三維晶體構(gòu)效關(guān)系（3D-CQSAR）分析含鉀礦物的晶體殘缺、硅酸鹽解鉀菌生物特征引起的選擇性風(fēng)化過(guò)程。

1 ?材料與方法

首先從土壤中篩選出硅酸鹽解鉀菌，然后用白云母、高嶺石、黑云母、鉀長(zhǎng)石、蒙脫石、伊利石、蛭石等7種不同含鉀礦物與篩選出的硅酸鹽解鉀菌進(jìn)行礦物分解實(shí)驗(yàn)。同時(shí)測(cè)試了培養(yǎng)液中次生氨基酸、多糖代謝產(chǎn)物的含量以及培養(yǎng)液的pH。

1.1 ?硅酸鹽解鉀菌分離純化實(shí)驗(yàn)

主要目的是分離得到純化的硅酸鹽解鉀菌。首先，選定培養(yǎng)基。培養(yǎng)基由初篩培養(yǎng)基、復(fù)篩培養(yǎng)基和解鉀能力測(cè)定培養(yǎng)基3種組成（表1）。其次，對(duì)硅酸鹽解鉀菌進(jìn)行分離、純化。分別在棉花的3個(gè)生長(zhǎng)期（苗期、蕾期、吐絮期）采集根際和非根際土壤，并將不同種植處理（對(duì)照處理、缺水、缺鉀、缺水又缺鉀）的2種基因型棉花（鉀高效、鉀低效）的根際和非根際土壤（共16種）按不同稀釋梯度（10-3、10-4、10-5）涂布于初篩培養(yǎng)基，3次重復(fù)。待培養(yǎng)成熟后，選擇大型、透明度大、中間隆起、十分粘著而富有彈性的菌落，在初篩固體平板上劃線純化培養(yǎng)，純化培養(yǎng)基與初篩培養(yǎng)基相同。重復(fù)劃線純化培養(yǎng)3次，直至獲得純培養(yǎng)。選擇純化后的34株菌株再進(jìn)行復(fù)篩培養(yǎng)，復(fù)篩培養(yǎng)在復(fù)篩培養(yǎng)基上進(jìn)行。

1.2 ?搖瓶解鉀試驗(yàn)

主要目的是利用含鉀礦物釋放鉀元素質(zhì)量多少表示生物風(fēng)化程度，根據(jù)礦物與不同硅酸鹽解鉀菌釋放鉀過(guò)程差異探討含鉀礦物的晶體殘缺、硅酸鹽解鉀菌生物特征引起的選擇性風(fēng)化過(guò)程。

將15株純化后的硅酸鹽解鉀菌（QY1-QY6、QY9-QY10、QY12、QY14、QY17、QY19、WM1、WM9、WM13等）接入100 mL解鉀能力測(cè)定培養(yǎng)基中，搖床培養(yǎng)7 d后進(jìn)行搖瓶發(fā)酵試驗(yàn)。在250 mL三角瓶中裝100 mL解鉀能力測(cè)定培養(yǎng)基，在125 ℃下滅30 min，按5%量接種，對(duì)照加等量滅活菌液和不接種菌，3次重復(fù)，搖床（190 r/min）培養(yǎng)7、15、30、45、60 d和1年后，分別取4.5 mL搖瓶培養(yǎng)溶液采用火焰分光光度計(jì)法測(cè)定溶液中K+的含量。

1.3 ?解鉀培養(yǎng)發(fā)酵液組分的測(cè)定

目的是探討硅酸鹽解鉀菌釋放次生代謝物對(duì)礦物生物風(fēng)化影響。有機(jī)酸、氨基酸采用Thermo公司Accela 1250型高效液相色譜儀測(cè)定。取自發(fā)酵液的10.0 mL有機(jī)酸樣品于100.0 mL容量瓶中，用流動(dòng)相稀釋并定容，搖勻后經(jīng)0.45 μm 濾膜過(guò)濾，濾液待測(cè)。氨基酸樣品溶液的制備：取試樣（發(fā)酵液）2.0 mL于10.0 mL離心管中，加人5%磺基水楊酸鈉2.0 mL，混勻，放置1 h，使蛋白質(zhì)沉淀后加人EDTA溶液1.0 mL和鹽酸溶液1.0 mL，離心15 min，取上清液1.0 mL于5 mL的容量瓶中，蒸干，用1.0 mL（pH 2.2）的緩沖液溶解，待測(cè)。

菌株莢膜多糖紅外光譜分析采用乙醇沉淀法提取莢膜多糖，用紅外光譜儀掃描得到莢膜多糖的紅外光譜（掃描范圍4 000 cm-1～500 cm-1，掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm-1）。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?硅酸鹽解鉀菌在初篩培養(yǎng)基中的菌落生長(zhǎng)狀況

根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，在HEG、LEG棉花缺鉀處理的根際土壤中均產(chǎn)生大量的硅酸鹽解鉀菌。HEG棉花水分充足，缺鉀處理的根際土壤中硅酸鹽解鉀菌能力最強(qiáng)，增加了土壤溶液中的K+。LEG棉花對(duì)鉀的吸收利用率更大，增強(qiáng)了棉花耐受低鉀脅迫能力。WM1、WM9、WM13、QY17及QY19能夠廣泛存在于棉花的根際區(qū)域。這或許是在缺鉀環(huán)境下對(duì)鉀脅迫的積極響應(yīng)。同時(shí)WM1、WM9、WM13及QY17能夠在棉花根系的酸性環(huán)境中繁殖和增生，在棉花蕾期分離得到硅酸鹽解鉀菌的數(shù)量比其他生長(zhǎng)期多。

表3表明硅酸鹽解鉀菌數(shù)量與棉花的生長(zhǎng)期存在顯著的正相關(guān)。其中蕾期硅酸鹽解鉀菌數(shù)量和吐絮期硅酸鹽解鉀菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為0.93，這表明硅酸鹽解鉀菌的數(shù)量、種類(lèi)受到所處棉花生長(zhǎng)期的影響。

由表4可知，與硅酸鹽解鉀菌直接相關(guān)的因子是土壤有機(jī)質(zhì)和非交換性鉀，相關(guān)系數(shù)分別為0.551和0.532，說(shuō)明土壤礦物中非交換性鉀在硅酸鹽解鉀菌的生物風(fēng)化作用后可以轉(zhuǎn)變成水溶性鉀供給棉花吸收利用。水溶性鉀與土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)系數(shù)為0.583，與鈉/鉀相關(guān)系數(shù)為-0.516。非交換性鉀、交換性鉀與土壤有機(jī)質(zhì)為顯著正相關(guān)，與化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）均為極顯著正相關(guān)，與鈉/鉀以及土壤溶液總氮為負(fù)相關(guān)。

2.2 ?硅酸鹽解鉀菌次生代謝物及多糖紅外光譜分析

搖瓶培養(yǎng)60 d后測(cè)定培養(yǎng)液中次生氨基酸、多糖代謝產(chǎn)物的含量和pH（圖1A），同時(shí)測(cè)定了培養(yǎng)液中次生低分子有機(jī)酸的含量（圖1B）。

由圖1可知，高嶺石和QY19的組合產(chǎn)生氨基酸和多糖質(zhì)量最大;QY1解鉀產(chǎn)生大量低分子有機(jī)酸，但是蒙脫石解鉀消耗H+的數(shù)量有限，導(dǎo)致溶液的酸性最強(qiáng)。白云母和QY17的組合產(chǎn)生草酸最多;高嶺石和QY19的組合產(chǎn)生檸檬酸最多;高嶺石和QY14的組合產(chǎn)生酒石酸最多;蒙脫石和QY1的組合產(chǎn)生乙酸最多;白云母和QY17的組合產(chǎn)生次生有機(jī)酸質(zhì)量最大，其次是高嶺石和QY19的組合。

圖2為多糖的紅外光譜。在1 615 cm-1處有-COO-吸收峰，在1 733、1 615和1 415 cm-1處有特征吸收峰。1 733 cm-1為-COON中的C=O伸縮振動(dòng)所致;而1 615 cm-1處的寬吸收峰為-COO-中的C=O非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)的結(jié)果;1 415 cm-1為-COO-中的C-O伸縮振動(dòng)所致。這些說(shuō)明了多糖分子中存在具有絡(luò)合作用的官能團(tuán)-COO-。這些官能團(tuán)能與金屬離子絡(luò)合，從而使溶液中的K+含量增加。在白云母和QY17、黑云母和QY19、白云母和QY19等組合中，在1615 cm-1處-COO-的吸收峰面積顯著大于其他組合。

2.3 ?硅酸鹽解鉀菌的解鉀過(guò)程分析

從圖3A、B、和C看，在厭氧微生物控制的系統(tǒng)中WM1、WM9、和WM13硅酸鹽解鉀菌對(duì)含鉀礦物解鉀在70～900 μg/g之間，實(shí)驗(yàn)室風(fēng)化測(cè)得硅酸鹽解鉀菌解鉀速率比自然界含鉀礦石風(fēng)化釋放K+的量要大得多;同時(shí)實(shí)驗(yàn)室條件鉀長(zhǎng)石也相對(duì)更容易風(fēng)化，主要是人為控制了水熱條件、硅酸鹽解鉀菌數(shù)量、硅酸鹽解鉀菌生長(zhǎng)繁殖的養(yǎng)分，這與Bennett等[30]的結(jié)論類(lèi)似。白云母在不同時(shí)間段釋放出的K+數(shù)量不等，在封閉體系，隨著溶液K+濃度增加，鉀元素釋放量逐漸減小。

硅酸鹽解鉀菌對(duì)礦物吸附作用有選擇性，在相同的培養(yǎng)液中，硅酸鹽解鉀菌傾向于選擇性吸附在含鉀礦物上，且濃度越大這種傾向越明顯。硅酸鹽解鉀菌的解鉀能力與類(lèi)群的形態(tài)、大小、含鉀礦物的晶體結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系有關(guān)。硅酸鹽解鉀菌生物風(fēng)化鉀礦物通常認(rèn)為包括K+增加過(guò)程（硅酸鹽解鉀菌生物莢膜吞飲剝蝕作用，機(jī)械破壞作用，次生代謝物的酸解作用）和K+減少過(guò)程（硅酸鹽解鉀菌繁殖、增生消耗，礦物的吸附固定）。

從圖4A可知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，硅酸鹽解鉀菌QY1對(duì)蒙脫石，硅酸鹽解鉀菌QY17對(duì)白云母、蛭石，硅酸鹽解鉀菌QY19對(duì)白云母、高嶺石和蛭石，生物風(fēng)化都起了促進(jìn)作用。在圖4B中，硅酸鹽解鉀菌QY1、QY2、QY4對(duì)高嶺石，硅酸鹽解鉀菌QY17、QY19對(duì)伊利石，硅酸鹽解鉀菌QY10、QY17對(duì)蒙脫石均有釋放K+功能。這主要通過(guò)硅酸鹽解鉀菌生物莢膜吞飲、破壞晶體結(jié)構(gòu)達(dá)到釋放K+的目的，但產(chǎn)生的次生有機(jī)酸較弱，以致后期硅酸鹽解鉀菌消耗K+作用大于酸解作用，溶液K+濃度降低。

如圖5所示，在0～30 d，礦石表面發(fā)生溶解作用，硅酸鹽解鉀菌與礦物表面直接作用，主要是硅酸鹽解鉀菌對(duì)礦物的剝蝕作用及機(jī)械破壞作用;在45～60 d期間主要發(fā)生間接作用。原因是硅酸鹽解鉀菌新陳代謝產(chǎn)生大量有機(jī)酸，次生代謝物（羧酸，蛋白質(zhì)）對(duì)礦石進(jìn)行酸解鉀作用，同時(shí)在30～45 d硅酸鹽解鉀菌消耗部分K+。但是，從整個(gè)作用過(guò)程來(lái)看，次生有機(jī)酸對(duì)礦物的酸解鉀作用是主要方式。

在圖6中，0～30 d進(jìn)行硅酸鹽解鉀菌在礦物表面直接作用，礦物的剝蝕作用及機(jī)械破壞作用是主要的風(fēng)化方式;在30～45 d和45～60 d期間，溶液主要是硅酸鹽解鉀菌不斷消耗K+，發(fā)生次生有機(jī)酸解鉀作用微弱。硅酸鹽解鉀菌消耗K+較酸解作用產(chǎn)生K+多，溶液K+濃度降低。從整個(gè)的過(guò)程來(lái)看，剝蝕作用及機(jī)械破壞作用是解鉀的主要方式。

綜上所述，以不同時(shí)間段溶液中K+的累積釋放量作為解鉀方式是有效的。解鉀生物風(fēng)化反應(yīng)釋放出K+最多的前三個(gè)組合是白云母和QY17、黑云母和QY19、白云母和QY19，反應(yīng)釋放出K+分別為1 235.76、1 010.71、916.61 μg/g。QY17硅酸鹽解鉀菌與白云母反應(yīng)釋放的K+最多，與高嶺石反應(yīng)卻固定了大量K+，兩者形成明顯差別。硅酸鹽細(xì)菌剝蝕作用、機(jī)械破壞解鉀過(guò)程、次生有機(jī)酸解鉀過(guò)程交替循環(huán)進(jìn)行。

圖7A是在培養(yǎng)基中加入腐殖酸，而圖7B是在培養(yǎng)基中未加入腐殖酸。比較A、B圖可知，腐殖酸對(duì)K+的釋放有顯著影響。首先腐殖酸能增強(qiáng)硅酸鹽解鉀菌的解鉀作用，K+的累積釋放明顯增加;其次，腐殖酸能延長(zhǎng)硅酸鹽解鉀菌解鉀作用的時(shí)間。主要是由于腐殖酸多羥基和疏松多孔的結(jié)構(gòu)，增加了表面積，延長(zhǎng)了解鉀作用的時(shí)間。同時(shí)腐殖酸還可以作為碳、氮源向硅酸鹽解鉀菌提供養(yǎng)分。

3 ?小結(jié)與討論

在白云母和QY17、黑云母和QY19、白云母和QY19等組合中，代謝產(chǎn)物多糖的紅外光譜1 615.0 cm-1處均有-COO-的吸收峰，且峰面積顯著大于其它組合。一方面，-COO-結(jié)構(gòu)是具有絡(luò)合作用的官能團(tuán)，能與金屬離子絡(luò)合;另一方面，由于次生有機(jī)酸引起了培養(yǎng)液pH降低，導(dǎo)致氧化還原電位改變進(jìn)而引起有效態(tài)Fe、Mn大量增加[31]。相對(duì)于未接種的原培養(yǎng)液的pH 7.2，接種解鉀菌后，培養(yǎng)液pH下降，在6.1～6.5之間。硅酸鹽解鉀菌發(fā)酵培養(yǎng)前后的pH下降，且與解鉀量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。解鉀培養(yǎng)發(fā)酵液中次生有機(jī)酸導(dǎo)致pH下降，水分子極化作用促進(jìn)晶層內(nèi)（i位）鉀置換。在K+離開(kāi)晶格的情況下，礦物的負(fù)電性降低，以保持整個(gè)礦物晶格的電荷平衡。在風(fēng)化過(guò)程中，晶格層之間的距離成為K+是否發(fā)生交換的主要原因，在實(shí)際種植中，硅酸鹽解鉀菌解鉀受土壤pH、氧化還原電位、腐殖酸含量影響。結(jié)合礦物學(xué)與微生物學(xué)相關(guān)知識(shí)，分析晶格空間結(jié)構(gòu)與溶液界面之間的相互作用，可以揭示土壤生態(tài)系統(tǒng)中礦物的生物風(fēng)化作用的過(guò)程。

3.1 含鉀礦物選擇性風(fēng)化的根本原因是晶體空間構(gòu)效關(guān)系（QSAR）

微生物及其次生代謝物加速硅酸鹽礦物的風(fēng)化。在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的生物化學(xué)風(fēng)化后，利用X Pert Pro MPD衍射儀發(fā)現(xiàn)菌株WM13（膠質(zhì)芽孢桿菌）和鉀長(zhǎng)石組合中，鉀長(zhǎng)石風(fēng)化的產(chǎn)物有微量的球狀蒙脫石、啞鈴狀高鎂方解石和板狀草酸鈣石;而WM13和黑云母組合中，風(fēng)化產(chǎn)物有片狀、鱗片狀蛭石，蒙脫石和富鐵綠泥石等多種礦物。同時(shí)發(fā)現(xiàn)黑云母礦物負(fù)電性減弱，這可能是因?yàn)镕e2+的氧化為Fe3+。晶格的負(fù)電性減弱導(dǎo)致與K+的結(jié)合力降低，水合氫離子（H3O+）的大小和鉀相似，H3O+的半徑為12.3～13.0 nm，而K+為13.3 nm，其他水化陽(yáng)離子（如Mg2+）也相似，所以進(jìn)入晶體層間裂隙代替鉀的可能性很大。水分子、水合氫離子或其他水化陽(yáng)離子進(jìn)入云母晶層取代K+，K+從云母晶層間的裂隙中釋出，此風(fēng)化過(guò)程的特征是溶液中pH增加，與實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象一致。風(fēng)化的強(qiáng)度則隨pH降低而加強(qiáng)。在破裂的邊緣i位上K+，也可以發(fā)生H3O+部分代替K+的過(guò)程，水分子逐漸滲入晶層之間，擴(kuò)大晶層間的距離，促進(jìn)其風(fēng)化。在菌株WM1和鉀長(zhǎng)石組合中，發(fā)現(xiàn)鉀長(zhǎng)石風(fēng)化后有板狀草酸鈣、菱面體形草酸鎂以及球狀蒙脫石形成，而WM1和黑云母組合風(fēng)化后則有球狀含水埃洛石形成。

白云母組成不同于黑云母，其晶格結(jié)構(gòu)也比較緊密，不含可氧化的Fe2+，因此白云母風(fēng)化速率比黑云母小。當(dāng)云母的晶層之間進(jìn)人了水分子（或H3O+）后形成中間產(chǎn)物（水化云母），包括水化黑云母[（K，H3O）（Mg，F(xiàn)e）3（Si，Al）4O10（OH）2]和水化白云母[（K，H3O）Al2（Si，Al）4O10（OH）2]，水化云母的層間距離較云母擴(kuò)大，為K+的釋放創(chuàng)造了有利條件。

伊利石的晶體風(fēng)化解鉀的過(guò)程比云母更易釋放K+，有三個(gè)方面的原因。其一，伊利石晶格中硅氧四面體片的硅原子被鋁原子置換的數(shù)量比云母少。在云母中硅氧片中有1/4的硅被置換，而在伊利石中大約只有1/6的硅被鋁置換，因此伊利石SiO2/Al2O3分子比云母高。其二，伊利石的單位晶胞的負(fù)電荷也比較小（由云母的-2.0價(jià)減為-1.3價(jià)）。其三，伊利石的晶層之間的疊置不規(guī)整，晶格晶層間的K+部分被Ca2+、Mg2+、H+等所代換。以上三個(gè)因素造成了伊利石較云母更易釋放K+。

蛭石和蒙脫石與伊利石相比較，雖有類(lèi)似的結(jié)晶構(gòu)造和一定數(shù)量的負(fù)電荷（蒙脫石為-0.65 eV;蛭石為-1.0～1.4 eV），但蛭石和蒙脫石的晶層之間都具有漲縮的性能，所以被吸附的鉀大多屬于交換性鉀。即使K+落入六角形（或雙三角形）網(wǎng)眼之中，或經(jīng)過(guò)干燥脫水而被固定。但比起云母、伊利石等礦物來(lái)，K+仍然是較易釋放的。

7種含鉀礦物彼此之間存在著一種相互演變的關(guān)系。在云母風(fēng)化初期，通常會(huì)出現(xiàn)水化云母;當(dāng)鉀比較豐富時(shí)，出現(xiàn)伊利石;進(jìn)一步風(fēng)化并釋出更多的鉀后，則形成蛭石和蒙脫石。相反，蛭石或蒙脫石在吸收了K+并脫水后，也可以向伊利石及云母類(lèi)礦物轉(zhuǎn)變。除上述幾種礦物外，還有許多中間產(chǎn)物。綜上所述，影響礦物選擇性風(fēng)化和生物風(fēng)化速率的關(guān)鍵是礦物的空間構(gòu)效關(guān)系（QSAR），包括四面體旋轉(zhuǎn)和晶胞大小、四面體傾斜的程度、羥基的定向、化學(xué)組成、顆粒大小、晶格結(jié)構(gòu)有否缺陷、鉀耗竭的程度、層電荷的蝕變和伴生反應(yīng)。

3.2 ?微界面的環(huán)境特性是影響礦物風(fēng)化主要因素

固-液界面微環(huán)境表面張力是生物-礦物間物質(zhì)交換和化學(xué)反應(yīng)最為活躍的微觀環(huán)境因素。表面張力抵消晶格離子間離子鍵和-OH共價(jià)鍵作用力，增強(qiáng)水分子間氫鍵對(duì)K+的作用力，成為礦物持續(xù)分解的有利因素，而且代謝產(chǎn)生的羧酸和碳酸對(duì)礦物的剝蝕有顯著的增強(qiáng)作用。因此，影響礦物生物風(fēng)化速率的微界面環(huán)境特性包括水合氫離子、生物活動(dòng)和絡(luò)合性有機(jī)酸、無(wú)機(jī)陽(yáng)離子的種類(lèi)和數(shù)量、是否濕潤(rùn)或干燥、淋溶強(qiáng)度和溫度變化。在棉花種植過(guò)程中主要是土壤礦物組成和風(fēng)化程度（化學(xué)蝕變指數(shù)，CIA）的影響及氣候微環(huán)境。

硅酸鹽解鉀菌在溶液和礦物的微界面發(fā)生的風(fēng)化作用實(shí)質(zhì)是空間構(gòu)效關(guān)系（QSAR）。第一，硅酸鹽解鉀菌粘附在礦物表面的作用力有離子鍵、共價(jià)鍵、氫鍵，作用力的大小和方向不確定。第二，在硅酸鹽解鉀菌-礦物復(fù)合體體內(nèi)的pH、代謝產(chǎn)物濃度、溶液粘度、離子強(qiáng)度與周?chē)h(huán)境有較大差別，次生代謝物引起的物理和化學(xué)風(fēng)化作用則逐漸增強(qiáng)。第三，在復(fù)合體內(nèi)部硅酸鹽解鉀菌的菌絲不斷生長(zhǎng)，晶格層間被解離，礦物晶格破損。以上三種因素相互作用可產(chǎn)生短期或永久的構(gòu)象與結(jié)構(gòu)的變化，最終導(dǎo)致礦物被剝蝕及礦物組分含量發(fā)生變化。

微生物在礦物表面的附著能夠顯著提高礦物的風(fēng)化速率。本試驗(yàn)中解鉀能力的差異是礦物晶體和硅酸鹽解鉀菌及其次生代謝物相互選擇的結(jié)果。本研究認(rèn)為生物過(guò)程在風(fēng)化中發(fā)揮了重要的作用。如何促進(jìn)化學(xué)酸解，溶解平衡向釋放鉀素方向移動(dòng)是下一步研究重點(diǎn)。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)礦物與小分子有機(jī)酸解鉀實(shí)驗(yàn)闡述釋放鉀素的微觀機(jī)理對(duì)研究土壤鉀的釋放有重要理論和實(shí)踐意義。

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