微生物参与的对诸如碳酸盐和硅酸盐等矿物的风化是地表生物地球化学过程的重要环节,深刻影响着地表物质循环及地貌的形成和演变,因而受到微生物生态学、地质微生物学以及生物地球化学领域学者的广泛关注。已知的微生物对岩石矿物的风化作用力主要来自生物分泌的有机酸、螯合作用、氧化还原作用和生物机械作用等的综合效应,此处提到的各种风化作用驱动力均为在细胞水平上的研究成果,在分子水平上如何理解微生物风化矿物的进程和微观机制,如微生物和矿物相互作用的分子机制以及微生物参与的基因表达调控作用等还存在许多未知的奥秘。近年来的研究指出生物酶在微生物风化矿物过程中不仅起到调控代谢的作用,还直接参与到矿物溶解的进程中,其中包括一种广泛存在于各种生物中(比如古细菌,细菌,真菌和哺乳动物等)的酶一碳酸酐酶。该酶能够催化CO2的水合作用,此过程产生的H+可以促进碳酸盐或者硅酸盐矿物的溶解,而矿物的溶解反过来又影响CO2循环,因此具有重要研究价值。胶质芽孢杆菌俗称硅酸盐细菌,是一种生活在岩石和土壤中的分布极为广泛的环境微生物,具有较强地风化和利用矿物质的能力。通过对胶质芽孢杆菌K02基因组测序发现其含有五条碱基序列完全不同的碳酸酐酶基因。鉴于此,采用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)研究了五种碳酸酐酶基因的表达是否均与碳酸盐矿物(如:方解石)和硅酸盐矿物(如:硅灰石)的风化有关以在分子水平上探讨微生物风化矿物过程中是否有碳酸酐酶的参与。实验结果显示这两种矿物均能够显著诱导特定生长阶段的碳酸酐酶基因的表达上调。为进一步明确微生物碳酸酐酶对矿物的风化作用,构建了5条碳酸酐酶基因的克隆,诱导蛋白表达后根据蛋白的表达量、可溶性以及酶活选取了一种碳酸酐酶蛋白进行后续的矿物溶解实验。结果显示在碳酸酐酶存在的条件下两种矿物的溶解速度均明显提高。该结果表明微生物碳酸酐酶的确可以直接参与矿物的风化。采用自行设计装置设定不同的CO2浓度环境,探讨了CO2浓度是否影响碳酸酐酶在矿物溶解过程中的作用。结果显示高CO2浓度下碳酸酐酶所起作用被弱化。此外,利用碳酸酐酶诱导成矿实验证实纯化的单一碳酸酐酶在大气CO2浓度下具有显著地促进碳酸钙形成的作用而原始大气CO2浓度(3.9%)下碳酸酐酶的作用被弱化。据此得到一个重要结论:随着地球的演化进程,大气CO2浓度总体上逐渐降低,微生物分泌的碳酸酐酶在硅酸盐矿物风化和碳酸盐矿物形成过程中的作用越来越明显和重要。许多研究指出生物进化过程中冗余基因逐渐消失,仍保留的基因转录产生的RNA或者进而形成的蛋白均在特定条件下发挥一定的生理功能。据以前针对曲霉(烟曲霉和黑曲霉)风化含钾矿物的研究结果,它们在风化含钾矿物时仅有一种碳酸酐酶表现出差异表达,而另外一种碳酸酐酶起何种作用还不清楚。为探讨曲霉或者真菌基因组中不同碳酸酐酶所发挥的功能,开展了构巢曲霉碳酸酐酶分工的研究。构巢曲霉基因组中含有两条碳酸酐酶基因,这为简化基因功能分化研究提供了便利条件。研究了构巢曲霉生长于特定环境(矿质营养缺乏和CO2浓度改变)时是否会优先选择其中一种碳酸酐酶发挥功能。采用RT-qPCR和Northern blot等检测技术分析了两种碳酸酐酶的表达水平,实验结果显示,其中一种碳酸酐酶(碳酸酐酶1)主要与矿物的风化有关而另外一种与适应C02浓度变化有关。为进一步证实碳酸酐酶1可促进硅酸盐矿物的溶解,构建了此基因的克隆并进行了异源表达和蛋白纯化。单一蛋白对矿物的溶解实验结果显示其确实可促进黑云母和硅灰石的溶解。综上实验结果暗示构巢曲霉在不同生长环境下会优先选择其中一种碳酸酐酶发挥作用以满足其生存需求和对环境变化的适应。CO2浓度持续升高严重影响到人类的生存。对矿物养分的需求在影响生物基因表达调控的同时也影响到碳循环,而生物代谢的改变反过来影响矿物溶解和再沉积过程,这与大气CO2循环也息息相关。我们试图结合所获悉的理论知识与农业生产相结合以增加大气CO2的固定或者降低土壤呼吸作用释放CO2的量。采用自行设计实验装置,探讨了混合的白云石和钾长石加入到土壤中对碳汇的影响。结果表明白云石和钾长石均能够在一定程度上增加土壤的无机碳汇。对土壤有机碳的提高而言,白云石具有明显的促进作用而钾长石的作用没有显著的统计意义。这为进行后续的矿物有机肥实验提供了理论基础,也为实施环保农业,绿色农业提供了一条新的思路。综上所述,本文得到以下结论:1.胶质芽孢杆菌和构巢曲霉碳酸酐酶均直接参与矿物的风化;2.单一碳酸酐酶可促进碳酸盐和硅酸盐的溶解以及碳酸盐的形成;3.CO2浓度影响碳酸酐酶的作用(负相关);4.复合矿物(白云石和钾长石)可促进碳汇的形成。这些研究结果对进一步认识微生物参与矿物风化的分子机理和深化理解矿物元素的生物地球化学循环过程提供了重要参考并且为后续寻求自然途径固定C02提供了基础。