“钾”细菌产多糖对正长石风化分解作用

1、九江学院化学与环境工程学院本科论文- III -目录摘要IAbstractII引言11 绪论21.1 文献综述21.1.1 钾细菌21.1.2 多糖21.1.3 长石的风化分解作用41.2 课题研究背景及意义71.3 课题研究目标及内容71.3.1 课题研究目标71.3.2 课题研究主要内容72 实验材料与方法92.1 实验材料92.1.1 实验试剂92.1.2 实验仪器设备92.2 实验方法92.2.1 多糖浸矿实验92.2.2 SiO2和Al2O3的测定102.2.3 样品的保存113 实验结果与分析12结论13参 考 文 献14在学研究成果16致谢16九江学院化学与环境工程学院本科论文引言根据现有文献报道，钾细菌均对矿物具有一定的风化作用，利用这些菌种可以将矿物中不溶性的硅、钾、铁等元素转变为可溶性元素。这一类菌种在与矿物的作用过程中可以产生一定量的氨基酸、有机酸与多糖，并在细菌繁殖过程中通过分解自身产生的多糖、有机酸而衍生出无机酸1。研究表明，钾细菌对矿物的分解过程中酸溶作用的效果很小，原因是该类菌种很少产生酸或产酸量非常小，矿物的降解作用主要依赖于菌种在代谢过程中产生的胞外多

2、糖等聚合物。胞外聚合物具有络合功能，可与矿物颗粒相互作用并形成细菌矿物复合体，提高矿物的溶蚀能力2。1 绪论1.1 文献综述1.1.1 钾细菌钾细菌，又称为解钾细菌或硝酸盐细菌，是土壤一种特殊细菌。特点是能够分解土壤中的不溶性硅酸盐矿物，释放其中的硅、磷、钾等元素，固氮和增强作物抗病能力等，因而具有给土壤增加肥力的作用。现如今钾细菌易被制成微生物肥料，广泛应用于各种农作物，增产效果较为明显，微生物肥料的质量关键在于菌种性能和菌肥中活菌数的多少，在自然条件下菌体很容易死亡3-4。钾素的绝大部分是以长石、云母等铝硅酸盐形态存在，不能被农作物直接吸收利用。我国北方石灰性土壤中不溶性无机磷以磷酸三钙、磷灰石形态为主，南方酸性土壤中以磷酸铁为主，另外土壤中存在大量的难溶性有机磷。也不能被作物直接吸收利用。当前在N、P、K比例严重失调，秸杆还田少和有机肥用量不足的状况下，仅依靠土壤中原有微生物分解释放钾远不能满足作物的需求。因而，钾细菌纯培养物施到土壤中发挥出显著效果。相关试验表明，钾细菌能在仅含极微量氮源或完全无氮源的培养基上良好生长，显示出钾细菌还具有固氮的能力。根据研究报道发现，钾细菌利用磷

3、钾矿物养分的途径可能有两个：一是钾细菌接触矿石后产生特殊的酶，破坏矿石结晶结构，释放出其中的养分；二是钾细菌在矿石表面接触后进行交换作用，释放出其中的养分随着研究的深入，揭示其奥秘只是个时间问题5。.1.1.2 多糖1.1.2.1 多糖的定义多糖（polysaccharide）是由多个单糖分子脱水单糖分子脱水聚合而成的高分子碳水化合物，可成直链或者有分支的长链，可用通式(C6H10O5)n表示。由相同单糖组成的多糖称为同多糖，如淀粉、纤维素和糖原；由不同单糖组成的多糖称为杂多糖，如阿拉伯胶是由戊糖和半乳糖等组成。多糖不是一种纯粹的化学物质，而是聚合程度不同的物质的混合物。由糖苷键结合的糖链，至少10个以上的单糖分子组成的聚合糖才称为多糖。少于10个单糖分子组成的短链的称为寡糖。不过，就糖链而论即使是寡糖，在寡糖上结合了蛋白质和脂类，那么就整个分子而论如果属于高分子，则从广义上来看也属于多糖，因此特称为复合多糖或复合糖质如蛋白多糖6。多糖类一般不溶于水，无甜味，不能形成结晶，无还原性和变旋现象。多糖也是糖苷，所以可以水解，在水解过程中，往往产生一系列的中间产物，最终完全水解得到单糖。多糖

4、广泛分布于高等植物、地衣、海藻、动物和微生物中。其中研究得较早且最多的，是从细菌中得到的各种英膜多糖，它在医药上主要用于疫苗7。其中微生物来源的多糖是至今研究得比较详细的一类多糖，其广泛的生物活性使得其已成为微生物药物一个重要的组成部分，且在新药研发中越来越受到重视8。1.1.2.2 多糖的分类按照来源可分为：（1）植物多糖：植物细胞代谢产生的聚合度超过10个的聚糖。是由许多相同或不同的单糖以-或-糖苷键所组成的化合物，普遍存在于自然界植物体中，包括淀粉、纤维素、多聚糖、果胶等。由于植物多糖的来源广泛，不同种的植物多糖的分子构成及分子量各不相同。有些植物多糖如淀粉、纤维素、果胶，早已成为人们日常生活中的重要组成部分；（2）动物多糖：存在和分布极为广泛，几乎存在于所有动物组织器官中；（3）微生物多糖：由细菌和真菌（包括霉菌和酵母菌）合成的食用胶，已经在食品工业中应用的有黄杆菌胶、茁霉胶-葡聚糖和环状糊精9。按照形态可分为：（1）胞内多糖：存在于质膜以内或者是质膜组分庄要是作为能量的储备物；（2）胞壁多糖：是胞壁的组分；（3）胞外多糖：包括附着在胞壁外的荚膜多糖和不附着在胞壁外的，分泌到环

5、境中的水溶性多糖10。按照化学组成可分为：（1）同多糖：由一种单糖构成，如肠膜明串珠菌发酵蔗糖形成的右旋糖配是由D-葡萄糖所构成；（2）杂多糖：由两种以上的单糖构成，如甘蓝黑腐病黄单胞菌发酵葡萄糖形成的多糖是由葡萄糖、甘露糖、葡糖醛酸和丙酮酸所构成。1.1.2.3 多糖的生物活性增强免疫：现代医学、细胞生物学及分子生物学的发展使人们认识到免疫系统的紊乱不仅会产生多种疾病，而且与人体衰老及老年人发病有关。艾滋病的危害更使人们对免疫缺损的严重后果有了更深刻的认识。科学家们发现，植物多糖最重要的药理作用为免疫促进作用11。抗肿瘤活性：微生物多糖的抗肿瘤活性多与其免疫调节功能密切相关。多糖能激活免疫细胞, 并诱导多种免疫细胞因子和细胞因子受体基因的表达, 增强机体的抗肿瘤免疫力。免疫调节多糖的抗肿瘤作用需要宿主免疫系统的参与, 但有些微生物多糖在体外也表现出对肿瘤细胞生长的抑制作用。除了免疫调节外, 近年来对多糖抗肿瘤活性的其它作用机制也有所研究，主要包括影响细胞的生化代谢；影响细胞周期；影响膜蛋白及肿瘤细胞附着12。抗病毒活性：多糖的抗病毒作用已引起医药界的高度重视。研究表明某些多糖对病毒如

6、艾滋病毒、单纯疱疹病毒、巨细胞病毒、流感病毒、囊状胃炎病毒、劳斯肉瘤病毒和鸟肉瘤病毒有抑制作用13。抑菌消炎活性：相关研究表明金樱子多糖在抑菌活性方面对大肠杆菌、副伤寒杆菌、葡萄球菌以及金黄色葡萄球菌均有较强的抑制作用。金樱子多糖对酿酒酵母和放线菌也有较强的抑制作用。此外抗炎方面金樱子多糖对二甲苯致昆明鼠耳的局部炎症模型，大小剂量均能明显减轻，说明金樱子多糖具有一定的抗炎作用。延缓衰老：中药多糖类成分的抗衰老作用与现代应用，主要涉及以下四个方面：加强的复制与合成，提供必需的微量元素与营养来延长动物的生长期；提高动物对非特异性刺激的抵抗能力以达到强壮作用；通过调节和增强免疫功能达到抗衰老作用；调节蛋白质和核酸、糖和脂质代谢，抗脂质过氧化与抑制脂褐质形成作用，提高机体SOD活力、清除LPO和抑制MAOB的活性作用，以抗衰老14。抗辐射作用：研究表明多种多糖具有抗辐射作用，是非常有前景的天然辐射防护剂。多糖具有提高存活率，拮抗辐射免疫损伤，降低造血系统损害，清除自由基作用。但多糖作用的有效部位、作用靶点、作用机理等研究都有待深入探讨15。1.1.2.4 主要的产多糖的微生物产生单糖及其衍生物

7、组成多糖的微生物叫做产多糖的微生物。自然界中能产生多糖的微生物种类很多，涉及细菌、酵母和丝状真菌。常见的有以下几类：（1）革兰氏阳性细菌、明串珠菌、变异链球菌等；（2）革兰氏阴性细菌、木醋杆菌、五色杆菌、土壤杆菌、固氮菌、假单胞菌等；（3）酵母菌、出芽短梗霉、隐球酵母、毕赤酵母、红酵母等；（4）丝状真菌、青霉、银耳、冬虫夏草、灵芝、香菇等。这些微生物能合成多种多糖，在工农业生产中得到广泛的应用。1.1.3 长石的风化分解作用长石是长石族矿物的总称，它是一类常见的含钙、钠和钾的铝硅酸盐类造岩矿物。长石在地壳中比例高达60%，在火成岩、变质岩、沉积岩中都可出现。长石是几乎所有火成岩的主要矿物成分，对于岩石的分类具有重要意义。1.1.3.1 长石与微生物作用形式从宏观上看，自然界中微生物对长石溶解的作用方式多种多样。目前研究较多的主要有流体模式、生物膜及真菌菌丝等3种主要作用模式16。（1）流体模式：在微生物长石共存的系统中，由于微生物及代谢物的浓度问题或微生物与长石表面作用力等原因，导致在长石表面粘附的微生物及其代谢产物的浓度与溶液平均浓度差别不大时，微生物与长石的作用可描述为含代谢产物的

8、溶液与长石表面的相互作用，称之为流体模式。（2）生物膜：在微生物与矿物相互作用体系中，生物膜的作用不可忽视。生物膜在结构和成分上有其特殊性，生物膜微环境中的pH值、氧化还原电位、物质浓度（离子、有机质、水等）等均与可测的大环境不同,对长石的溶解亦与流体模式大不相同。相关研究表明细菌的接触可能在长石表面形成了生物膜，生物膜进而加速了长石中Si和Al的溶出。但同时发现细菌与长石的接触会抑制钙长石中Ca的溶出，因此生物膜对长石溶解的作用，实际上是比较复杂的，需要从机理上进行更多的实验和理论探讨。（3）真菌菌丝：与细菌相比，真菌除也能通过流体模式及生物膜促进长石的溶解外，还可通过真菌菌丝的作用增进长石溶解速率。有研究者认为菌丝产生酸溶解长石形成孔道结构，真菌菌丝占据孔道，获取长石中的营养物质，并使矿物破碎，参与反应的比表面积增大，风化加速。但是Lee等发现新鲜长石中亦有孔道结构，并非微生物作用造成,菌丝只是偶然进入先前已形成的孔道中。而Hoffland等发现灰化土中长石管道结构的密度只与灰化土形成时间有关系，菌丝与管道的成因无直接关系。因此，有关菌丝与长石的相互作用问题尚有待进一步的研究。1.

9、1.3.2 长石的微生物风化机理在表生风化环境中，微生物通常可以促进长石风化，风化速率和程度均比单纯的化学风化高。研究表明微生物主要通过质子交换和配体络合两种方式促进长石溶解。（1）质子交换：在微生物长石作用体系中，尽管存在一些微生物代谢产物会抑制长石的溶解，但是广泛存在的有机或无机酸、多聚糖等以及微生物表面电离出的H+离子能够与长石中的Na+、K+、Ca2+等阳离子产生交换,从而促进长石溶解。对该作用机理，环境溶液的pH是决定性因素。（2）络合作用：所谓络合作用，是指微生物表面及其代谢产由电离作用形成的络阴离子团与长石晶格中的Al3+ 、Si4+或其它阳离子络合，使之脱离矿物晶格并以络合物的形式进入溶液，从而促进长石溶解。此外，这些配体还可与溶液中的阳离子络合，降低溶液中阳离子浓度，改变反应的动力学条件,提高矿物溶解能力。参与络合的配体通常包括微生物代谢产生的低分子量有机酸、多聚糖及微生物的胞外多糖等几部分。（3）氧化还原作用：微生物在氧化还原过程中获取能量，完成代谢过程，吸收可以利用的营养元素。而在相对贫瘠的环境中，找不到能被直接利用的营养元素、电子受体或电子供体，迫使微生物去利用矿物中的元素。矿物在不溶状态下很难被微生物直接利用，而氧化还原后，金属离子的价态发生改变，并与有机酸络合，形成微生物能够利用的可溶性物质。矿物在微生物影响下不断释放出营养元素，最终导致晶格遭到破坏。从这个角度看，微生物客观上促进了长石的风化17-19。1.1.3.3 长石风化分解作用的影响因素影响矿物风化的因素比较复杂，主要有温度、压力、pH 值、阴阳离子和有机酸的种类和浓度、系统开放性和时间等20。温度：温度始终是影响矿物风化的最活跃因素之一，其作用可以体现在3个方面：物理风化的影响、化学风化的影响和生物风化的影响

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