生物矿化合成鸟粪石晶体研究★
时间：2023-06-21 16:25:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙 彬，陶佳丽
（山西工程技术学院，山西 阳泉 045000）
鸟粪石[Mg（NH4）PO4·6H2O]是一种常见的磷酸盐矿物，属于斜方晶系，存在于天然的鸟粪中。鸟粪石是一种富含氮、磷元素的天然肥料，具有重要的经济价值。随着天然鸟粪石的大量开采，现存的天然鸟粪石储量急剧下降；
而现代农业对氮、磷肥料的需求与日俱增[1-2]。因此，实现鸟粪石的工业化生产十分必要。与常见的化学合成法相比，利用生物矿化得到鸟粪石晶体的方法，兼具经济效益和环境效益，逐渐引起了研究人员的重视。
河床底部存在大量污泥，厌氧区范围大且富含有机质，生存着大量的硫酸盐还原菌[3]，目前关于河床底部沉积物中的厌氧菌诱导鸟粪石矿物的研究较少。本文对河床底部污泥中的一株硫酸盐还原菌进行分离、鉴定，利用其成功诱导得到鸟粪石，具有重要的经济价值和研究价值。
1.1 菌种来源
本实验所用样品取自河流底部的污泥。污泥中有强烈的H2S 气体的气味，表明污泥中含有丰富的硫酸盐还原菌。取深处污泥作为样品。
1.2 培养基
1.2.1 富集培养基
每1 L 富集培养基溶液所含成分如下：K2HPO40.5 g，NH4Cl 1 g，CaCl20.1g，MgSO4·7H2O 2 g，酵母浸粉1g，60%的乳酸钠溶液6 mL，Na2SO40.5 g，Fe（NH4）2-（SO4）20.5 g，抗坏血酸0.5 g，L-Cys 半胱氨酸0.5 g，蒸馏水1 000 mL，pH=6～8，121 ℃灭菌20 min。
Fe（NH4）2（SO4）2和抗坏血酸在高温环境性质会发生改变，所以先将其配制成溶液，0.22 μm 滤膜除菌。Fe（NH4）2（SO4）2中的Fe2+能与溶液中的S2-反应生成黑色的FeS，可作为硫酸盐还原菌富集成功的标志[4]。
1.2.2 纯化培养基
液体纯化培养基所含成分如下：酵母浸粉3 g，KCl 0.25 g，蒸馏水1000 mL。将其添加2%的琼脂即为固体纯化培养基。
1.3 菌株的富集与纯化
在200 mL 富集培养基中加入20 g 污泥样品进行培养，并用液体石蜡封闭瓶内液面，创造相对厌氧的环境。置于30 ℃恒温厌氧培养箱中静置培养。当培养基的颜色变成黑色时，表明此时培养基中存在大量的硫酸盐还原菌（图1）[5]。
图1 菌株富集培养
经过富集后的细菌培养液中存在多种细菌，需要固体培养基进行单菌落筛选，挑选单个菌落接到液体培养基中培养，反复进行多次，使菌种得到分离和纯化。将纯化后得到的单一菌株进行16S rDNA 分析鉴定。用透射电子显微镜观察菌株的形态学特征，并对菌株进行革兰氏、芽孢、接触酶、甲基红、V-P、硫化氢、运动性、三糖铁、脂酶、脲酶、蛋白酶、纤维素酶、明胶酶耐盐性等生理生化测试。
1.4 诱导矿化研究
诱导矿化所用培养基为富集培养基，其培养基成分变量为Mg、Ca。设置n（Mg）/n（Ca）比梯度0、2、4、6（表1）。设置实验组和对照组。实验组接菌量为1%，对照组中以等量蒸馏水替代菌量，30℃静置培养。
表1 诱导矿化梯度浓度Mg/Ca 比含量
2.1 16S rDNA 分析
得到了长度为1 438 bp 的16S rDNA 序列，使用NCBI 在线blast 对该菌株的16S rDNA 序列进行同源性比对，结果发现，该菌株与肠杆菌属和非脱羧勒克菌属的同源性均在97%以上。通过基于16S rDNA 序列构建的系统发育树分析，结果显示该菌株与Leclercia adecarboxylata 亲缘关系最近（图2），因此可以确认该菌株为非脱羧勒克菌（Leclercia adecarboxylata）。
图2 菌株的系统发育树
2.2 菌体形貌特征
通过高分辨率投射电镜观察，菌株的基本特征为：菌体为短杆状，长约1 000 nm，宽约500 nm，生殖方式为二分裂（见图3）。
图3 菌株单细胞形态及生殖分裂方式透射电镜图
2.3 菌株的生理生化鉴定
如表2 所示，结果表明，该菌株为革兰氏阴性杆菌，不形成芽孢，有动力，不耐盐。接触酶，淀粉酶为阳性；
MR 为弱阳性；
脂酶，脲酶，蛋白酶，纤维素酶均为阴性；
可利用乳糖发酵；
不能利用含硫氨基酸产硫化氢，但可利用含硫化合物。
表2 该菌株与同种非脱羧勒克菌的鉴别结果比较
2.4 诱导矿化结果
诱导矿化18 d 后，在显微镜下观察实验组的沉淀。从图4-1、4-2 可知，Mg/Ca 比为0 和2 的情况下，没有矿物形成；
从图4-3、图4-4 可知，n（Mg）/n（Ca）比为4 和6 的情况下，有规则矿物形成。对照组中没有矿物沉淀。这些结果说明细菌对矿物的沉淀有促进作用，同时n（Mg）/n（Ca）比同样对矿物的形成有重要影响。
图4 实验组矿物的显微镜图像（a、b、c、d 分别为n（Mg）/n（Ca）比0、2、4、6 的培养基矿物）
XRD 结果（第18 页图5）可以看出，n（Mg）/n（Ca）比为0 和2 的实验组均未形成晶形矿物，而n（Mg）/n（Ca）比为4 和6 的实验组均出现明显特征峰。通过晶体比对，n（Mg）/n（Ca）比为4 和6 的实验组所形成的矿物均为鸟粪石。与鸟粪石标准PDF 卡片（晶格参数为a=6.945，b=11.208，c=6.135）的峰强和峰位相比较，峰强十分相近，半峰宽略大，而且本实验所得鸟粪石晶体XRD 衍射峰位相对标准峰位左移，也就是说，生物诱导的鸟粪石与自然形成的鸟粪石相比，原子排列结构相同，但结晶程度略低，晶胞尺寸较大，晶形发生畸变。这表明细菌对晶核形成及晶体生长过程具有一定的影响。
图5 菌株诱导矿物的XRD 谱图
生物矿化合成鸟粪石是一种兼具经济效益、环境效益的方法。从河床底部沉积物中筛选得到一株硫酸盐还原菌，该菌株经分子生物学与生理生化鉴定为脱羧勒克菌。利用该细菌成功诱导得到鸟粪石晶体，为鸟粪石的工业化生产提供一种有效方案。
猜你喜欢鸟粪硫酸盐矿化矿化剂对硅酸盐水泥煅烧的促进作用建材发展导向(2022年24期)2022-12-22110 k V复合I型绝缘子鸟粪闪络影响因素研究宁夏电力(2022年3期)2022-08-23大麦虫对聚苯乙烯塑料的生物降解和矿化作用环境卫生工程(2021年4期)2021-10-13基于复合胶凝材料的CO2矿化养护实验研究能源工程(2021年3期)2021-08-05铁矾渣中有价金属的微生物矿化-浮选回收可能性和前景矿产综合利用(2020年1期)2020-07-24紫外光分解银硫代硫酸盐络合物的研究四川冶金(2019年5期)2019-12-23鸟粪石法脱氮除磷的影响因素与应用研究城市道桥与防洪(2019年5期)2019-06-26西班牙人除鸟粪有绝招环球时报(2017-12-22)2017-12-22鸟粪中"建筑师"学苑创造·A版(2016年6期)2016-06-20硫酸盐对胶结充填体单轴抗压强度与弹性模量关系影响研究中国煤炭(2016年1期)2016-05-17
