【摘 要】
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微生物和矿物相互作用与地质演变、元素循环和生态系统的协调是紧密联系、息息相关的。微生物作用下矿物风化的产物是土壤中次生矿物的重要来源,同时矿物的溶解能为植物提供营养元素。从地质时间尺度上来看,研究硅酸盐矿物风化可为全球气候变化和全球碳循环等科学问题提供重要的线索。前人完成的硅酸盐矿物的微生物风化作用研究往往侧重微生物的作用及其效应,或是只注重元素的溶出速率、溶出顺序等层面,对溶解的过程和次生矿物的
【基金项目】
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国家自然科学基金（批准号:40573057和41673038）； 第二次青藏高原综合科学考察研究（专题编号:STEP2019QZKK0707）；
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微生物和矿物相互作用与地质演变、元素循环和生态系统的协调是紧密联系、息息相关的。微生物作用下矿物风化的产物是土壤中次生矿物的重要来源,同时矿物的溶解能为植物提供营养元素。从地质时间尺度上来看,研究硅酸盐矿物风化可为全球气候变化和全球碳循环等科学问题提供重要的线索。前人完成的硅酸盐矿物的微生物风化作用研究往往侧重微生物的作用及其效应,或是只注重元素的溶出速率、溶出顺序等层面,对溶解的过程和次生矿物的形成机制均有待进一步深入探究。此外,真菌受到的重视程度远远不如细菌。本文开展了以沙芬西芽孢杆菌HR-2菌株和棘孢曲霉FS-4菌株为微生物材料,斜长石为矿物材料的两组生物风化实验。用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测定上清液中K+、A13+、Fe3+、Na+、Ca2+、Mg2+和Si4+的浓度;利用高效液相色谱仪测定低分子量有机酸的浓度。此外,还对胞外多糖含量、碳酸氢根离子浓度和碳酸酐酶活性等指标进行了测定。根据Stoke’s定律提取了固相产物中<2μm的粒级组分,利用X射线衍射技术、电子扫描显微镜和能谱分析仪等对固相产物的矿物种类、表面形貌和元素组成等进行了观测和分析。对斜长石在细菌/真菌作用下元素溶出速率、顺序进行了分析,并对次生矿物的形成机制进行了探讨。主要得到以下几个方面的认识:（1）HR-2菌株和FS-4菌株均可以促进斜长石的风化。我们以Si4+为基准计算得到FS-4菌株促进斜长石风化的速率约是HR-2菌株的12倍。（2）从元素在斜长石晶格中所占位置来看,HR-2和FS-4菌株的参与下斜长石中元素的溶出顺序均为:充填于Si-O四面体骨架之间空隙的元素（K、Na、Ca和Mg）→Si-O四面体骨架内的元素（Al、Fe和Si）。该结果说明,微生物种类影响斜长石风化速率,但不影响斜长石中元素的溶出顺序。（3）HR-2菌株和FS-4菌株均可以通过分泌低分子量有机酸和胞外多糖来促进斜长石风化,FS-4菌株分泌的草酸浓度是HR-2菌株的244倍。结合相关性分析结果可知,细菌实验中A13+、Ca2+、Fe3+、K+、Na+和Si4+的浓度与胞外多糖含量的相关性系数分别为0.64、0.63、0.78、0.68、0.64和0.81。真菌实验中,除Fe3+和A13+以外,Ca2+、K+、Mg2+、Na+和Si4+的浓度与胞外多糖含量的相对性系数分别为0.70、0.98、0.56、0.79和0.73,与草酸浓度的相对性系数分别为0.76、0.93、0.64、0.78和0.79。经综合分析,作者推测HR-2菌株主要通过分泌胞外多糖促进斜长石溶解,FS-4菌株则是通过分泌草酸和胞外多糖共同促进斜长石溶解。（4）<2μm粒级固相产物的XRD图谱显示,在细菌作用第50天时出现了伊利石的衍射峰,在第100天时观察到了石膏的衍射峰;在真菌作用第50天时观察到了伊利石的衍射峰。作者推测伊利石可能是通过溶解-沉淀模式形成的。
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