微生物铁还原作用对蒙脱石保存有机物的影响以硫酸盐还原菌为例.pdf

主 题 约 稿 矿物 岩石 地球化学 通报 Bu l l e t in o f M in e r a l o g y， Pe t r o l o g y a nd Ge o c h e mis t r y Vo 1 3 3 NO 6 NO V ，2 O 1 4 微 生物铁还原作用对 蒙脱石保存有机物 的影响 ： 以硫酸盐还原茵 为例 于天 ， 汪丹 ， 董海良卜， 曾强 1 中国地质大学 ( 北京)生物地质与环境地质 国家重点实验室 ， 北京 1 0 0 0 8 3 2 中国地 质大学( 北京)水 资源 与环境学 院 ， 北京1 0 0 0 8 3 摘 要 ： 本文研 究 了微生物的铁还 原作 用对黏土矿物有机质保 存 的影响。将一种 有机化 合物 ( 十 二氨基 十二酸) 插层 到一种 富铁 的蒙脱石( 绿脱石) 中， 利用硫酸盐还原菌( De s u l f o v ib r io v u l g a r is ) 分别对插 层前 后的绿脱 石进行 作用 ， 以研 究该 菌对 绿 脱石结构 中 F e ” 的还原作用 以及层 间有机物 的影 响。结果 发现 ， D e s u l f o v ib r i o v u l g a r is能够还 原这 2种绿脱 石结构 中的 F e ” ， 且电子穿梭体 AQD S ( 蒽醌一 2 ， 6 一 二磺酸) 能够增强还 原速 率和程度 ； 硫 酸盐 的存在 能够增加 还原速 率和程度 ， 表 明还 原过程 中生成的硫化物与绿脱石结构 中的F e ”发 生了化 学还原作用 ； 通过 x 射线衍射 、 红外光谱、 总有机碳分析表 明， 还原 后 的绿脱石 ， 其结构 层内仍 有大量 有机 物， 具有一定的稳定性和保存层 间有机质 的能力 。 关 键 词 ： 黏土矿物；微生物还原 ； 有机 物；硫酸盐还原菌 中图分类号 ： P 5 7 8 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 7 2 8 0 2 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 7 9 0 0 7 d o i： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 2 8 0 2 2 0 1 4 0 6 0 0 6 Ef f e ct s o f M icr o b ia l I r o n Re du ct io n b y A S ul f a t e - Re du cing Ba ct e r iu m o n t h e Pr e s e r v a t io n o f Or g a nic M a t t e r in No nt r o nit e YU Tia n ， W ANG Da n ， DONG Ha i l ia n g n ， Z ENG Qia n g 1 S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Bio g e o l o g y En v ir o n me n t a l Ge o l o g y，C h in a Un iv e r s it y 0 _，Ge o s cie n ce s ( Be i j i n g) ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h in a；2 S ch o o l o f Wa t e r Re s o u r ce s a n d En v ir o n me n t ，C h in a Un i v e r s i t y o f Ge o s ci e n ce s ( Be i j in g) ，Be ij in g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a Ab s t r a ct ： Cl a y min e r a l s h a v e a b il i t y t o a d s o r b o r g a n i c ma t t e r d u e t o t h e ir l a y e r e d s t r u ct u r e s a nd l a r g e s u r f a ce a r e a Ho we v e r t h e r o l e o f mi cr o b ia l r e d u ct i o n o f s t r u ct u r a l Fe ( I I I )i n cl a y min e r a l s in o r g a n i c ma t t e r p r e s e r v a t i o n r e ma i n s u n cl e a r I n t h is s t u d y，we s t u d ie d t he e f f e ct o f mi cr o b ia l i r o n r e d uct io n o n t h e o r g a n ic ma t t e r p r e s e r v a t io n i n a n ir O D r i ch cl a y min e r a l n o nt r o n i t e W e f ir s t i n t e r ca l a t e d a n o r g a n i c co mp o u n d ( 1 2 一 Ami n o l a u r i c a cid，AI A) i n t o t h e i nt e r l a y e r o f a n ir o n r ich s me ct i t e( n o n t r o n it e )，a n d t h e n u s e d 3 s ul f a t e r e d uci n g b a ct e r iu m De s u l f o v ib r i o v u l g a r is t o r e d u ce s t r u ct u r a l Fe( I I I ) i n t h e ALA in t e r ca l a t e d n o nt r o n i t e ( ALA NAU 一 2 ) Ou r r e s ul t s d e mo n s t r a t e d t ha t ： 1 De s u l f o v ib r i o v u l g a r is wa s a b l e t o r e d uce s t r u ct ur a l Fe ( I I I ) i n NAu 2 a n d AI A NAu 一 2，a n d AQDS e n h a n ce d t h e r e d u ct i o n r a t e a n d t he r e d u c t io n e x t e n t 2 The p r e s e n ce o f s u l f a t e i ncr e a s e d t he r e du ct io n r a t e a nd e x t e n t ，s u g g e s t i ng t ha t s u l f id e p r o d u ce d d u r in g s u l f a t e r e d uct i o n a b i t i ca l l y r e du ce d s t r u ct u r a l Fe ( 1 id in NAu 2 a n d AI A NAu 一 2 3 The r e s ul t s o f X r a y d i f f r a ct i o n，F ou r ie r t r a n s f o r m in f r a r e d s p e ct r o s co p y ( FTI R)，a n d t o t a l o r g a n i c ca r b o n ( TOC)co n f i r me d t h a t a l a r g e a mo u n t o f AI A W3 S s t il l p r e s e r v e d i n t he i nt e r l a y e r o f n o n t r o n it e，imp l y in g t h a t n o n t r o n it e h a s t he a b i l it y t o p r e s e r v e o r g a n ic ma t t e r Ke y wo r d s ： cl a y mi ne r a l ；b io r e d u ct i o n；o r g a n ic ca r b o n；s ul f a t e r e d u ci n g b a ct e r iu m 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 1 0收到 ， O 9 2 5改回 基金项 目： 国家重点基础研究发展计划项 目( 2 0 1 l C B 8 0 8 8 0 0 ) 第一作者简介 ： 于天 ( 1 9 9 2 一) ， 女 ， 硕士研究生 ， 研究方 向： 微生物 与矿物相互作用E ma i l *通讯作者简介 ： 董海 良( 1 9 6 5 ) ， 男 ， 教授 ， 研究方向： 地质微生物 、 微生物与矿物相互作用E ma i l ： d o n g h e u g b e d u cn 矿物岩石地球化学通报 黏土矿 物广 泛存 在 于土壤 、 沉 积物 ( 沉 积 岩) 中 。 微生物作为 自然界 中最广泛存在 的生命 体， 通过氧 化还原 、 溶解 以及转化矿物等各种形式改变黏土矿 物 的 结 构 、 成 分 和 物 理 化 学 性 质 ( J a is i e t a 1 ， 2 0 0 9 ) ， 对于元 素 的地球 化学 迁移 、 矿 物改 造 、 油 气生 成等 领域 均有 重要 启示 作用 ( D o n g e t a 1 ， 2 0 0 9 ) 。 土壤 中 的有 机 质 大都 与粒 径 为 0 2 2 u m 黏 土矿物结合， 形成有机黏土复合体 ( Ke n n e d y e t a 1 ， 2 0 0 2 ) 。在所有黏土矿物质中， 具有膨胀性质的蒙脱 石 是 最易被 细 菌还 原 的 ， 且 具 有最 快 的还 原 速 度 和 最 高 的还原 程 度 ( J a is i e t a 1 ，2 0 0 7 ) 。最早 研 究 硫 酸盐还原菌对蒙脱石结构中 F e 抖 的还原是硫 酸盐 还原细菌( D e s u l f o v ib r io s p ps t r a in G - 1 1 ) ， 该细菌 具 有还 原 黏 土 矿 物 中 三 价 铁 的 能 力 ( L i e t a 1 ， 2 0 0 4 ) ， 对 自然 环境 中的 F e和 S循 环起 着 重要 的作 用 ( Lo v l e y ， 1 9 9 3，2 0 0 2 ) 。 最新的一些实验显示微 生物还原蒙脱 石结构 F e 什能 够导 致 处 于层 间结 合 态 的 有 机 碳 重 新 释 放 于水 溶 液 中 ( Ki m e t a 1 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 。在 碳 储 存 问题 日益重 视 的今 天 ， 上 述研 究愈 发 凸显其 重要 性 ， 已越来 越 吸引 人们 的关 注 。 1 材料 与方法 1 1 材料 本 文 使 用 的 硫 酸 盐 还 原 菌 为 De s u l f o v ib r io v u l g a r is ( ATcc 2 9 5 7 9 ) 。矿物样 品为绿脱石 NAu 一 2 ， 原产 于南 澳 大 利 亚 的 Ul e y石 墨 矿 ， 是 一 种 富铁 的蒙脱 石 ， 其 化 学 组 成 为 M 。 ( S i Al ) ( F e 。 。 Mg 。 。 ) O 2 0 ( OH) ， 其 中 M 可 为 C a ， Na ， 或 K( Ke e l i n g e t a 1 ， 2 0 0 0 ) 。实 验采 用 的黏 土 矿物 颗 粒 大小 为 0 5 1 m， 采 用 重 力梯 度 离 心 的方 法对 不 同颗 粒大 小 的黏 土矿物 进 行 分 离 ， 最 终 得 到 实验 所 需 粒 级 的 黏 土 。有 机 物 为 十 二 氨 基 十 二 酸 ( 1 2 一 Amin o l a u r ic a cid，ALA) ( Liu e t a 1 ，2 O 1 3 a ) 。 1 2有机 黏 土矿 物 的制备 在 2 0 0 mI 0 0 7 M HC 1溶 液 中 加 入 1 4 0 mmo | AL A， 8 0 下 搅 拌 至 澄 清 。另 外 在 1 0 0 0 mL 去离 子水 中加人 1 0 g NAu 一 2 ， 搅 拌 均 匀 。然后 将 上 述两 种溶 液混 合 ， 8 0 C下 继续 搅 拌 3 0 min 。随后 对 混合 液进 行离 心 ， 得 到 的沉 淀物 用 8 0 C去 离子 水 反 复洗涤 5次。最后干燥 ， 研磨成粉末 。合成后 的黏 土矿物 标 记为 AL A NAu 一 2 。 1 3 培养 基 D v u l g a r is使 用 的 乳 酸 盐 培 养 基 包 含 ： 1 0 g I C a S O ，1 0 g L NH C 1 ， 0 5 g I KH2 P O ， 7 91 2 0 g L Mg S O 7 H2 O， 1 0 g L酵 母 提 取 物 ， 2 0 mmo l L乳 酸 ， 1 mL 0 1 的刃 天青 ( 氧化还 原指 示 剂 ) 。与黏 土矿 物配 置 成 5 g L 的悬 浊 液后 ， 用 1 N HC 1 调节 p H 至 7 0 。随 后放 入 厌氧 瓶 中进 行 去 氧 操作( 去氧的气体组成为 N 与 C O 的混合气， 比例 4 ： 1 ) ， 并 对 黏 土 溶 液 进 行 1 2 1 高 温 高 压 灭 菌 3 0 min 。实验加 入还 原剂 溶 液 ( F e S O 7 H。 O 和 还 原 性溶液) 除去剩余的 O ( L i u e t a 1 ， 2 0 1 2 ) 。F e S O 4 溶 液 由 1 0 mL无 菌厌 氧水 和 0 5 g F e S O 4 7 H。 O配 制 而成 。还原性溶液 由 1 O mL无 菌厌 氧水 ， 0 1 g巯基 乙酸钠 和 0 1 g抗坏血 酸配制 而成 。F e S O 4 溶 液和还 原性溶液 用 过 滤法 除 菌 ( 用 0 2 2 m 孔 径 的微 孔 滤 膜) ( Ur r u t ia e t a 1 ，1 9 9 9 ；Z h a n g e t a 1 ，2 0 0 7 ) 。 1 4微生 物还 原实 验 本 实验共 分 4个 系列 ， 2个 系列采 用原 始 NAu 一 2黏 土矿 物溶 液作 为微 生物还 原 的底物 ， 2 个 系列 采 用合成后的 AL A NAu 一 2 有机黏土溶液作为微生物 还 原 的底 物 。相 同黏 土矿物 溶液 的 2 个 系列 又分 为 一 组加 1 0 mM Na S O ， 另一组 不加 Na 2 S O 。每组 中加入 1 5 mL黏 土溶液 ( 浓度 为 5 g L ) ， 0 1 5 mL l M 乳 酸溶 液 ( 浓 度 为 1 0 mM) ， 以及 0 1 5 mL电子 穿 梭体 AQ D S ， 其能够促进黏土矿物和微生物之间的电 子传 递 ( 2 ， 6 - a n t h r a q u in o n e d i s u l p h o n a t e ， 蒽 醌一 2 ， 6 一 二 磺酸 ， 浓 度为 0 1 mM) ， 每 组实 验设置 3 个 平行 对 照 样 。另外 S R B菌 液 ( 约 2 5 8 1 O 个 m L ) 用 无 菌 注 射器注入反应体系中。所有实验组均放于 3 O 恒温 培养箱 中进行培养 。具 体实验组设置见 表 l 。 表 1实 验 设 计 表 Ta b l e 1 Exp e r ime nt a l de s ig n AL A NAU 一 2 8 9 A I A NAu 一 2 1 O +Na 2 S04 1 2 1 5 测试 方法 用 Amo n e t t e 和 Te mp l e t o n ( 1 9 9 8 ) 建 立 的 HF H。 S O 提 取 法 检 测 微 生 物 还 原 产 生 的 F e 含 量 。 用邻菲咯啉分光光度法在紫外分光光度计上测定体 7 9 2 于天等 微生物铁 还原作用对蒙脱石保存有机物的影响 ： 以硫酸盐还原菌为例 系中总 亚铁离 子浓 度 ( S t u ck i a n d An d e r s o n ， 1 9 8 1 ) 。 S o ： 浓 度 的检测 ： 从反应 体 系 中取 0 5 mL绿 脱 石悬 浊液 ， 将其 离 心 ， 取 上 清 液稀 释 后 ， 利 用 离 子 色谱 仪进行 检测 。 黏 土矿 物有 机碳 含量 的测 定 ： 选 择 微 生物 还 原 实验 中不 同 的时 间点 ， 取 一定量 的绿 脱石 悬浊 液 ， 离 心得 到沉 淀 ， 用 去 离 子水 洗 涤 3次 ， 最 后 烘 干研 磨 ， 利 用元 素分 析仪测 定有 机碳 含量 。 傅里叶转换红外光谱分析在 中国地质大学 ( 北 京 ) 地 质微生 物 实 验 室 的 F r o n t i e r 上 进 行 ， 2 mg样 品与 2 0 0 mg KB r 充 分 研 磨 均 匀 后 压 片 上 机 测试 ， 扫描 范 围 4 0 0 4 0 0 0 e m， 扫描 5 0次 。 X射线衍 射测试 在 中 国地质 大学 ( 北京 ) 完 成辐 射源为 C u Ka ， 步 宽 0 0 2 。 ， 扫描 范 围 3 。 1 5 。 ， 扫 描 速 度 1 o ) mi n ， 电压 4 O k V， 电流 1 0 0 mA， 常温 扫描 。 2 结果 与讨论 2 1 有 机黏 土矿 物 的合成 结果 绿脱 石 NAu 一 2的有 机 碳 含 量 为 1 4 8 、 ， 经 过 AL A 插 层 后 的 AL A NAu 一 2有 机 碳 含 量 升 高 到 7 5 2 ， 计 算得 出每 克 N Au 一 2 结 合 了 6 O mg AL A。 插 层前 后黏 土矿 物 X R D对 比图( 图 1 ) ， 可 以观 察 到 NAu 一 2和 AI A NAu 一 2的 d 层 间 距 分 别 为 1 2 0 7 n m( 2 0 7 3 1 5 。 ) 和 1 6 9 1 r i m ( 2 0 5 2 3 2 。 ) 。 说 明 AI A 已经 成 功 插 入 绿 脱 石 层 问 ， 绿 脱 石 的层 间距 增 大 ， 酸 性 环 境 下 质 子 化 了 的 AL A 是 通 过 阳 离 子交换 作 用 进 入 绿 脱 石 层 问 的 ( R e ich e r t e t a 1 ， 1 9 9 8 ) ， 插层 作用没 有破 坏绿 脱石 的成 层结构 。 2 0 ( 。 ) 图 1 NAu 一 2和 AI A _ NAu 一 2的 x射线衍射 图 Fig 1 X r a y d if f r a ct io n p a t t e r n s o f NAu一 2 a nd AI A NAU 一 2 由插层前后 黏土矿物傅里叶红外光谱 ( F TI R) 图( 图 2 ) 可 见 ， 在 NAu 一 2光谱 中 ， 有 明显 的蒙 脱 石 结 构吸 收带 ： OH 伸 缩键 ( 3 5 7 0 C I T I 一 ) 和 S i一( ) 伸 缩 键 ( 1 0 3 1 e m ) ( L iu e t z ，2 0 1 3 b ) 。而 经 过 AL A 插层 后 的 AI A NAu 一 2的 光谱 中 出现 了 AI A 特有 的 吸收 带 ： NH。 。 。 中的一 N H 伸 缩 键 ( 3 2 5 6 3 0 3 5 cm ) ， 一 C H 反 对 称 伸缩 键 和 对 称 伸 缩键 ( 2 8 5 5和 2 9 3 2 cm ) ( Ka l p a ma e t a 1 ，2 0 0 6 ) ， R C O 0 反 对 称 伸 缩 键 和 对 称 伸 缩 键 ( 1 5 1 1 cm 和 1 3 8 4 cm一 ) ( I iu e t a 1 ， 2 0 1 3 b ) ， 各 观能 团波 长见 文 献 ( Ka l p a ma e t “ Z ，2 0 0 6 ) 。 由 图 2可 以 看 出 插 层 后 出现 新 的官 能 团谱 带 ， 说 明 AI A 是 以 化 学 吸 附 方 式与 绿脱 石结 合 ， 结 合状 态更 为稳 定 。 波 数( cm。 。 ) 图 2 NAu 一 2和 AL A NAu 2的傅里叶转换红外光谱 Fig 2 FTI R s p e ct r a of NAu 2 a nd ALA NAu 2 2 2微 生物还 原实 验结 果 2 2 1 总 F e 汁 浓度 的 变化 由 I iu等 ( 2 0 1 2 ) 公 式 计算 得 到还原 程度 和初始 还原 速率 。图 3为微 生 物 对 黏土 矿物 NAu 一 2系列 和 NAu 一 2 +Na S O 系 列结 构 F e ” 的还原 曲线 ， 从 图 中可 以 看 出 加 入 S RB和 AQD S的实 验组在 1 5天 内绿 脱石 结构 中总 F e ” 的 还原 程度 分别 达到 了 2 6 2 和 3 0 3 ， 这 与前人 的 研 究 结 果 相 似 ( L iu e t a 1 ， 2 0 1 2 )。 无 菌 对 照 组 未 1 1 l 1 1 O O 0 O O 志 矿物岩石地球化学通报 0 10 20 3 0 f ( d ) 图 3 NAu 一 2和 NAu 一 2 +Na z S 0 系 列 各 组 实 验 的 F e ”还原 曲线 Fig 3 Re d uct io n e x t e nt s o f Fe (I I I )in NAu 2 a nd NAU 一 2+ Na 2 S O4 s y s t e m s 见任 何 明显 变化 。 而对于合成的有机黏土矿物 AL A NAu 一 2系列 和 AL A NAu 一 2 +Na 。 S O 系列 ( 图 4 ) ， 可 以看 出加 入 S RB和 AQDS的实 验 组 在 1 5天 内蒙 脱 石 中总 F e 。 的还原 程度 分 别 达 到 了 1 5 3 和 2 6 5 。无 菌对 照组 未见 任何 明显 变化 。 20 掣 隧 1 0 O 0 1 0 2 0 3 0 f ( d ) 图 4 AL A N Au 2和 AL A NAu 2 +Na 2 S O 系列 各组 实验 的 F e 。 还原 曲线 Fig 4 Re du ct ion e xt e nt s of Fe ( I I I )in AI A NAu 一 2 a nd ALA NAu 一 2+ Na 2 SO4 s y s t e ms 对 比图 3和 图 4中 曲线 可 以 发 现 ： 加 入 AQ DS 的实验 组 的 还 原 程度 明 显 高 于不 加 AQ DS的实 验 组 。相 同 的 实 验 条 件 下 ， 加 入 Na S O 的 实 验 组 F e ”的还原程度 明显 高于不加 Na 。 S O 的实验组 ， 这 可 能 由于硫 酸盐 被 还 原成 硫 化物 ， 硫 化 物 可 以进 79 3 一 步还 原 F e ” ， 因此还 原程 度会 明显 高于不 加 硫 酸 盐 的 实 验 组 。此 外 ， 对 比合 成 的 AL A NAu 一 2和 NAu 一 2微 生物 还 原结 果 ， 相 同实 验条 件 下合 成 后 的 有机绿脱 石 的还 原 程度 明显 低 于原始 绿 脱石 。可 能 由于 A L A插进绿脱 石 层 间后 ， 抑 制 了电子 在微 生 物 和结构 F e 。 之间的传递效率， 使还原速率有所降低。 表 2为各组 实验 铁 还原 初 始 速 率 ， 由表 中数 据 可 以看 出 ， AQ DS大 大 地 提 高 了反 应 的还 原 速 率 ， NAu 一 2 +S RB+AQDS和 NAu 一 2 +S RB+AQDS+ Na 。 S O 的 初 始 铁 还 原 速 率 最 大 ， 分 别 为 0 0 2 9和 0 0 3 3 mmo l ( gh) 。对 比 ALA NAu 一 2和 NAu 一 2 的各 组初 始 铁还 原速 率 ， 相 同还 原 条件 下 有 机 绿 脱 石 的还 原 速 率 明 显 低 于 原 始 绿 脱 石 ， 同样 是 由 于 AL A 插 进绿 脱石 层 间后 ， 抑 制 了电子 在微生 物 和结 构 F e 。 。 。 之间的传递效率 。 2 2 2 S O； 浓度 的 变化 图 5为 实验 中 S O： 一 浓 度 的变化 曲线 ， 可 以观 察 到 ， 在 加 入 S RB的各 实 验 组 中 ， S O： 的 浓度 都 有 一 定 程度 的降 低 ， 而 无 菌 对 表 2不同实验组的铁还原 初始 速率 Ta bl e 2 Th e init ia l r e d uct io n r a t e in e a ch e x pe r ime nt 实验组 铁还原初始速率 ( mmo l g h ) NAU 一 2 NAu 一 2+ SRB NAu 一 2+S RB+ AQDS NA u 一 2+Na ， S O NAu 一 2+ S RB+ Na 2 SO4 NAu 一 2+S RB+ AQDS+ Na 2 SO AI A NAu 一 2 AI A NAu 一 2 + S RB AI A NAu 2 +SRB+AQDS ALA NAU 一 2 +Na 2 SO4 AI A NAu 一 2 + S RB+ Na 2 S O4 AI A NAu 一 2+SRB+AQDS + Na 2 SO4 0000 0 0 0 5 0 O 2 9 0000 0 0 0 9 0033 0000 0 0 0 3 O 0 1 2 000 0 0 0 0 4 0 01 6 照组 S o： 一的浓度 基本 没有 变化 。 上 述 现象 表 明 S 0 ： 的浓 度 的 降低 可 能 是 由于 硫 酸盐还 原 菌将一 定 量 的硫 酸盐 还 原 成硫 化 物 ， 进 而 降低 了 S o； 一的浓 度 。而 生 成 的硫 化 物 又 可 以还 原 黏 土 矿 物 中 结 构 F e ， 导 致 了 加 入 1 0 mM Na 。 S O 的实验 组 中 F e 。 。 的还原 程 度 明显 高 于不 加 1 0 mM Na S O 的实 验 组 。 因此 ， Na 。 S O 在整 个 还 原过程 中起到了很重要的电子传递作用。 2 3 X射线 衍射 结果 在 微生 物还 原实 验进 行 3 0天后 ， 对还原 后 的绿 脱石和有机绿脱石进行 了 x射 线衍射分析。图 6 为加入 S RB + AQ DS和 S R B +AQDS +Na S O 的 绿 脱石 NAu 一 2实验组 的 X RD分 析谱 图 。反 应前 后 7 9 4 于天等 微生物铁还原作用对蒙脱石保存 有机物 的影 响： 以硫酸盐还原菌为例 一 、 吾 r l 1 0 1 0 9 9 +NA u 2+ N a ， S O _ 卜 _ NAu 一 2 + S R B+ Na ， S O t ( d ) 1 1 O 1 o 5 1 0 0 9 5 9 o 0 +ALA NAu一 2 +N a 2 SO4 +ALA NAu一 2 +S RB+Na 2 S O4 0 1 O 20 30 f ( d ) 图 5 各组 实验中 S 0 的浓度变化 曲线 F i g 5 Ti me co u r s e ch a n g e o f s o #co n ce n t r a t i o n t h r o u g h o u t t h e e x p e r i me n t a l d u r a t i o n 2 4 6 l 0 1 2 1 4 j b 2 o ( 。 ) 图 6 NAu 2反应前后的 x射线衍射对 比图 Fig 6 X r a y d if f r a ct io n p a t t e r ns o f NAu 2 be f o r e a nd a f t e r bio r e d uct io n NAu 一 2的 d 。 。 层 间距 基本 无 变 化 ， 反 应 后 的 峰 更 加 尖 锐 ， 说 明经 过微 生 物作 用 后 绿 脱 石 的结 晶程 度 有 所 提 高 ， 在反 应过 程 中小颗 粒 与 有 序 度差 的绿 脱 石 可能 优先发 生溶 解 。 图 7为加 入 S RB+ AQDS和 S RB+ AQDS+ Na S O 的 有机 绿 脱石 AL A NAu 一 2实验 组 的 X R D 分析 谱 图 。可 以看 出反 应 后 d( 0 0 1 ) 主 峰 分 裂成 两 个 ， 其 中 的一个 ( 1 3 3 4 1 3 6 2 n m) 与 没 有插 层 的 2 4 6 8 l U l 2 l 4 l 6 2 0 ( 。 ) 图 7 AL A NAu 2反应前后 的 X射线衍射对 比图 Fig 7 X r a y dif f r a ct io n p at t e r ns of ALA NAu 2 b e f or e a nd a f t e r bior e d uct io n 绿脱 石 的 d( 0 0 1 ) 值 相 近 ， 并 且 在 2 06 4 8 2 。 出现 了一个小 峰 ， 该 峰 呈 现 出 NAu 一 2的特 征 ， 这 表 明有 一 部分 有机 绿脱 石在 还 原 过 程 中结 构遭 到 破 坏 ， 使 插 入结 构 的 AI A 从 结 构 中 释 放 出 来 ， 最 终 导 致 绿 脱 石层 间距 减小 ， 并 且接 近于插 层前 的层 间距 。 比较 图 6 、 7 ， 发现 在有 机 绿脱 石 的实验 组 中 ， 微 生物 的铁 还 原 作 用 能 够 导 致 一 部 分 绿 脱 石 结 构 坍 塌 ， 最终造 成结 构 中 AL A 含量 略 有 降低 ， 这 一 个 结 论 由 以下 总有 机碳 数据 得到 验证 。 矿物岩石地球化学通报 2 4 有 机碳 含量 的变 化 由图 8可 知 ， 经 过 微 生 物 的 还 原 ， 有 机 绿 脱 石 中 的有机碳 含 量有 一定 程度 的 降低 ， 并 在 1 O天 内达 到稳定 状态 。测试 前 ， 对 有 机 绿脱 石悬 浊 液 反 复 离 心 并用 去离 子水 洗 涤 3次 ， 去 除 吸 附 的有 机 物 。经 过 计算 ， AL A NAu 一 2 +S RB +AQD S和 AL A NAu 一 2 +S R B + AQD S +Na S O 的实验 组 中每 克 有 机绿 脱 石分别 释 放 出 3 7 mg和 2 3 mg的 AL A， 两 实验 组 中分别 保 留 了 5 6 3 mg和 5 7 7 mg的 AI A。这 一 结果为绿脱石保存有机物的能力提供了有力的证 据 ， 也 就是 说 ， 绿 脱 石结构 铁 的还原 并 没有 释放有 机 物 AL A。另外 可 以 发 现 ， 对 比 2组 加 入 AQDS的 实验组 ， 其 中加 入 Na 。 S O 的 实验 组 反 应 程 度 更 大 ， 却释放的有机物更少 ， 可能是 由于加入 Na 。 S O 的 实 验组 中发 生 了化 学 还 原作 用 ， 硫 酸盐 还 原 菌 先 将 硫酸根还原成硫化物 ， 然后硫化 物再去还原结构 中 的 F e 。 。 。 所 导致 的 ， 这种 化学 还原 作 用 对绿 脱 石 结构 的破 坏较 小 ， 因而 释放 A L A 的量较少 。 7 6 0 0 7 2 “d】 图 8 总有机碳含量 的变化 曲线 Fig 8 Time cou r s e cha n ge of t o t a l or ga nic ca r b on co nt e nt 2 5 傅 里 叶转换 红外 光谱 分析 在 微 生物 还 原 实 验 进 行 3 O天 后 ， 对 还 原 后 的 绿 脱石 和 有 机 绿 脱 石 进 行 傅 里 叶 转 换 红外 光 谱 分 析 。图 9为各 实 验 组 黏 土 矿 物 NAu 一 2和 有 机 黏 土 AL A NAu 一 2的各组 实 验 的红 外 光 谱 对 比 图 ， 其 能 量 范 围为 2 5 0 0 5 0 0 cm 。可 以看 出 ， 反 应前 后 无 明显差别 ， 说 明 蒙脱 石 的结构 没 有 被 完全 破 坏 ， AI A 的 特 征 官 能 团 依 然 可 见 。另 外 波 长 1 6 2 6 cm 处 的 OH 变 形 键 和 一 NH 弯 曲键 的 组合 向 波长较长 、 能量 较低 的方 向偏移 。通 过傅 里叶转 换 红 外 光谱 图 的分 析 表 明经 过 微 生 物 的 铁 还 原 作 用 ， AL A仍然有保存在绿脱石结构中， 但是由于一 部 分 AI A 从 结构 中释 放 出来 ， 造 成 了某 些 官 能 团 的偏 移 。 7 9 5 波 数( cm。 。 ) 图 9 反应前后波长在 2 5 0 0 5 0 0 e m_ 。 范 围 的红外光谱图 Fi g9 FTI R s p e ct r a of NAu 一 2 a n d ALA NAu 一 2 b e f or e a n d a f t e r bio e du ct ion a t t he e n e r g y r a n ge o f 2 5 00 50 0 e m 一 图 1 O为各 实验 组光 谱 图 ， 其 能 量 范 围 为 4 0 0 0 2 5 0 0 cm ， 分 别 为 绿脱 石 N Au 一 2和有 机 绿 脱 石 AL A NAu 一 2的各组 实 验 的红 外 光谱 对 比图 。从 图 中可 以看 出 ， 反应 前后 无 明显差别 ， 说 明绿脱 石 的结 构没有被完全破坏 ； AL A 中的特征峰仍 然存在 ， 说 明 AL A依 然保 存在 绿 脱石 层 间 。这 也从 定 性 的 角 度证 明 了经过 微生 物 的铁 还原 作 用 ， 绿 脱 石 具有 保 存层 间有 机质 AL A 的能力 。 结 论 ( 1 ) De s u l f o v ib r io v u l g a r is能够还 原 绿 脱石 和 有 机绿 脱石 中的结 构 F e ” ， 并 且 AQD S能 够提 高还 原 速率 和程 度 。 ( 2 ) 插层 后 的有 机绿 脱 石 的微 生 物 还原 速 率 和 程度明显低于未插层的绿脱石 ， 说 明有机质 的插人 抑 制 了微生 物对 黏土结 构铁 的还 原 。 ( 3 ) 在含有硫酸盐 的实验组 中， 硫酸盐能够 增 加绿 脱 石结 构铁 的还 原 速 率 和 程度 ， 这 表 示 硫 酸 盐 还原 菌 首先还 原硫 酸 盐 ， 产 生 的硫化 物 进 一 步 对黏 土矿 物 中 的 F e 件进 行化 学还 原 。 ( 4 ) 经 过 硫 酸 盐 还 原 菌 的作 用 ， 绿 脱 石 的结 构 7 9 6 于天等 微生物铁还原作用对蒙脱石保存有机物 的影响 ： 以硫酸盐还原菌为例 0 0 0 0 0 O 0 波 数 ( cm。 。 ) 波数( cm。 。 ) 图 1 O反应前后波长在 4 0 0 0 2 5 0 0 cI T I 范围 的红外光谱 图 Fig 1 0 FTI R s p e ct r a o f NAu 一 2 a nd ALA NAu 2 b e f o r e a n d a f t e r bi oe d ue t io n a t t he e ne r gy r a ng e o f 40 0 0 2 50 0 e m 层 内还 仍有 大 量 AI A 残 留 ， 表 明绿 脱 石 具 有 一 定 保 存层 间有 机质 的 能力 ， 并 且 层 间保存 的有 机 质 有 一 定的稳定性 ， 并没有随着结构铁的还原而释放。 ( 5 )相 比 于 不 加Na S O 的 实 验 组 ，加 入 Na S O 的实验组 有 机物 的保存 能力 更强 。 参 考文 献 ( R e f e r e n ce s ) ： Do n g H，J a is i D P，Kim J，Zh a n g G 2 0 09 Micr o be cl a y min e r a l in t e r a ct i o n s J Ame r i ca n Mi n e r a l o g i s t ，9 4( 1 1 1 2 ) ：1 5 0 5 1 5 1 9 J a is i D P ，Do n g H，I iu C2 0 07 I n f l u e n ce o f b io g e n ic Fe( I I )o n t h e e x t e n t o f mic r o b ia l r e d uct io n o f Fe ( I I I ) in cl a y min e r a l s n o n t r o n it e ， i l l i t e ， a n d ch l o r i t e J Ge o ch imi ca e t Co s mo ch i mi ca Act a，7 1( 5 )：1 1 45 1 1 5 8 J a is i D P，Do n g H，P1 y ma l e A E，Fr e dr ick s o n J K，Z a ch a r a J M ， S t e v e H ，I iu C 2 00 9 Re d u ct io n a n d l o n g t e r m i m mo b il iz a t io n o f t e ch n e t iu m b y Fe ( I I ) a s s o cia t e d wit h cl a y mine r a l n o n t r o n i t e J C h e mi ca l G e o l o g y ， 2 6 4 ： 1 2 7 1 3 8 Ke n n e d y M J，Pe v e a r D R，Hil l R J 2 0 02 ，Min e r a l s u r f a ce co nt r o l o f o r g a n i c ca r b o n i n b l a ck s h a l e J S ci e n ce ，2 9 5 ： 6 5 7 6 6 0 Kim J W ， Yo k o F，Do n g H ，Ne we l l S W 2 0 0 5 The e f f e ct o f m icr o b i a 1 F e ( )r e d u ct i o n o n s me ct it e f l o ccu l a t i o n J Cl a y s a n d Cl a y M ine r a l s ，5 3 ( 6 )： 5 7 2 5 7 9 Ki m J W ，Do n g H，S wa b a u g h J ，Ne we l l S W ，Eb e r l D D2 0 0 4 Ro l e o f mi cr o b e s i n t h e s me ct i t e t o il l i t e r e a t i o n J S ci e n ce ， 3 0 3：8 3 0 8 3 2 Ke e l in g J I ，Ra v e n M D ，Ga t e s W P2 0 0 0 Ge o l o g y a n d ch a r a ct e r iz a t io n o f t wo hy d r o t he r m a l n o n t r o n it e s f r o m we a t h e r e d m e t a mo r p h i c r o ck s a t t h e Ul e y g r a p h i t e mi n e ，S o u t h Au s t r a l i a J Cl a y s a n d Cl a y M in e r a l s ，4 8( 5 )：5 3 7 5 4 8 Ka l p a n a S K ，De b a s his S，Ka t t i D R ，Gh o s h P，Ve r ma D2 0 06 Mo l e cu l a r in t e r a ct io ns in in t e r c a l a t e d o r g a n ica l l y mo d if ie d c l a y a n d cl a y p o l