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以往研究氧化Mn(Ⅱ)的菌株多为海相微生物,且氧化Mn(Ⅱ)的实验多在游离体系下进行,而生活在土壤环境中的细菌绝大部分被土壤颗粒吸附,吸附作用如何影响细菌的生长代谢,对锰细菌氧化Mn(Ⅱ)有何影响等相关报道较少。本文选取自红壤铁锰结核中筛选出的锰氧化细菌HN79,研究其生物学特征和氧化特性;探讨了粘土矿物与细菌吸附的测定方法,分析了细菌与粘土矿物(蒙脱石,针铁矿,高岭石和伊利石)的吸附与解吸特征,与游离态细菌对比初步探讨了矿物表面吸附态细菌的生长曲线及对Mn(Ⅱ)的氧化特点。 通过研究获得以下结果: 1.菌株HN79为革兰氏阳性芽孢细菌,菌体呈短杆状;对Mn(Ⅱ)有一定抗性;细菌的比表面积为1.14 m2/g(细胞干重);pH7.0条件下细菌表面带负电荷,电荷量为-4.46μmol/m2。 2.确定了细菌细胞的裂解条件以及测定细菌数量的最适方法:菌悬液碱裂解时间为30 min;裂解液NaOH浓度为0.4 mol/L;取蛋白质滤液0.5 mL作为考马斯亮蓝测定的显色体积,显色剂考马斯亮蓝(CBB)体积为5 mL;选择70%(w/v)蔗糖溶液分离吸附态和未吸附态细菌;离心分离矿物-细菌复合体的转速为4000 r/min。 3.明确了粘土矿物对HN79细菌的吸附解吸特性。四种粘土矿物对细菌的等温吸附曲线符合Langmuir方程,吸附量由大到小顺序为:蒙脱石(40.86×109 cells/g)>高岭石(28.10×109 cells/g)>针铁矿(26.13×109 cells/g)>伊利石(21.76×109 cells/g);结合强度由强到弱为:伊利石>针铁矿≈高岭石>蒙脱石。随离子强度增加,细菌吸附量先增加后减小并趋于稳定。随pH增大吸附细菌的数量降低。解吸剂Tris-HCl、KCl和NaH2PO4-Na2HPO4分别对矿物表面饱和吸附态细菌的解吸特性是:四种矿物吸附态细菌都是经 KCl解吸的细菌数量最大,经 Na2HPO4-NaH2PO4解吸的数量最少。用上述三种解吸剂依次解吸矿物表面饱和吸附态细菌,解吸量由大到小顺序为:Tris-HCl>KCl>Na2HPO4-NaH2PO4;解吸等量吸附细菌的规律与之相反,且饱和吸附态细菌的总解吸率远高于等量吸附的解吸率。结合扫描电镜和红外图谱分析,HN79细菌细胞表面的羟基、磷酸基和羧基都参与了吸附过程,针铁矿与细菌之间有氢键形成。总之,细菌主要通过范德华力和静电力吸附在蒙脱石和高岭石表面;对于针铁矿,则以配位交换和氢键作用吸附;细菌与伊利石之间主要通过静电作用吸附,作用力稳定而且不易被解吸。 4.初步探讨了不同吸附态细菌的生长情况及其对Mn(Ⅱ)的氧化特性。在游离态和吸附态细菌共存体系中,粘土矿物的存在促进细菌生长;当仅有吸附态细菌存在时,粘土矿物对细菌生长既有促进作用也有抑制作用,表现为对细菌生物量和适应期不同的影响。其中蒙脱石对不同状态细菌的生长均有明显的促进作用。矿物的表面特性通过影响与细菌的吸附影响细菌对Mn(Ⅱ)的氧化作用,不同矿物-细菌复合体氧化Mn(Ⅱ)能力:蒙脱石>针铁矿>高岭石≈伊利石。 5.吸附态细菌经不同解吸剂解吸后,残留吸附态细菌的生长状况及其对Mn(Ⅱ)的氧化特性。四种矿物表面残留吸附态细菌的生长都比对照组游离态细菌慢,其中尤以KCl解吸的最为明显;蒙脱石促进残留吸附态细菌增长,缩短生长适应期;其他三种矿物均抑制残留吸附态细菌的生长。三组解吸处理的平均氧化率大小顺序为: NaH2PO4-Na2HPO4(8.27%)>Tris-HCl(4.76%)>KCl(1.39%)。细菌吸附作用力种类的不同,影响细菌的生长代谢活性,从而影响其对Mn(Ⅱ)的氧化:吸附态细菌在氧化Mn(Ⅱ)过程中,起主要氧化作用的是以范德华力和静电力吸附的那部分细菌,而以专性吸附方式吸附到粘土矿物表面的细菌很难再氧化Mn(Ⅱ)。 6. HN79及其复合态细菌形成的生物锰氧化物,以絮状或颗粒状被芽孢吸附和包被。多为短程有序、结晶较弱的纳米级结构。经XRD鉴定主要为黑锰矿。