黑云母的生物轉化釋鉀及其作用機理研究.pdf

1、我國是農業(yè)大國，而農業(yè)的發(fā)展需要以肥料為支撐，其中，鉀肥需求量占很大比重。鉀對植物的生長有重要作用，可以提高葉片光合作用強度，促進作物體內淀粉和糖的生物合成，增強作物抗逆性和抗病能力，還能提高作物對氮的吸收利用。我國富氮少磷缺鉀，鉀肥自給量不到50％，但是我國低品位鉀礦的儲量卻十分可觀，黑云母就是其中含量很豐富的一種，微生物轉化法因為耗能少，環(huán)境污染小等優(yōu)點受到廣泛關注。但是，目前有關研究主要集中在篩選具有高效解鉀性能的菌種以及其解鉀有

2、效性、解鉀機理和菌劑應用等方面，而有關如何切實提高微生物轉化含鉀巖石的釋鉀效率的研究還很少。膠質芽孢桿菌和黑曲霉是土壤中普遍存在的細菌和真菌，它們能分解利用土壤中的難溶性礦物供自身生長繁殖利用，同時還能促進土壤礦物元素的生物地球化學循環(huán)，已有很多研究分別采用這兩種菌作為研究微生物-礦物相互作用的模式菌株。
　　本研究首先分別采用有氮培養(yǎng)基和察氏培養(yǎng)基作為膠質芽孢桿菌(Bacillusmucilaginosus)和黑曲霉(Asper

3、gillus niger)的實驗培養(yǎng)基，并以黑云母礦粉為唯一鉀源，培養(yǎng)5d后利用ICP-OES、SEM、HPLC及酶活測定等方法，對發(fā)酵液中各種離子濃度、礦物表面形貌、發(fā)酵液中有機酸含量以及碳酸酐酶(CA)活性進行檢測。結果表明，膠質芽孢桿菌與礦物通過多糖等粘性物質緊緊黏附在一起形成細菌-礦物復合體，而黑曲霉與礦物相互作用則形成了真菌-礦物聚集體。黑曲霉培養(yǎng)液中離子溶出量總體高于膠質芽孢桿菌培養(yǎng)液，其中Al3+、Fe3+和K+含量分別高

4、出約17、30和3 mg/L;分泌的酸性物質的量和CA活性都明顯高于膠質芽孢桿菌，表明黑曲霉擁有對礦物更強的風化能力。
　　進一步利用RT-qPCR檢測黑曲霉在風化不同礦物時半胱氨酸合酶(CysM)、Na+/K+ATP酶(Na+/K+-ATPase)、檸檬酸合酶(CS)、脂肪酸合酶(FAS2)、谷胱甘肽S轉移酶(GST)、色氨酸合酶(trpA)、丙酮酸羧化酶(PC)、碳酸酐酶(CA)等8個基因的表達情況，發(fā)現鉀礦組、鎂礦組和磷礦組

5、三組中Na+/K+-ATPase基因實驗組與對照組相比表達量均呈現上調趨勢，而CysM、CS、FAS2、GST、trpA、PC、CA等7個基因的表達情況卻有所不同，鉀礦組和鎂礦組兩組中CysM、trpA和PC表達量上調，其余四個基因的表達量沒有明顯差異，而磷礦組實驗組中這7個基因的表達量均低于無礦組或無明顯差異。這些結果表明黑曲霉能夠積極主動地克服可溶性營養(yǎng)元素缺乏的困難，調節(jié)部分基因的表達，上調細胞能量代謝和物質合成等生物學過程，從而

6、產生更多的礦物風化因子。但是在面對不同礦物的情況下，黑曲霉能差異化的調節(jié)基因的表達，以適應不同的營養(yǎng)條件或生活環(huán)境。
　　為了提高黑云母中鉀的轉化效率，分別探究了植酸、赤霉素和吐溫對黑曲霉風化作用的影響，發(fā)酵液中K+溶出結果顯示植酸能夠有效增強黑曲霉風化黑云母的風化釋鉀效果。為降低成本，又以植酸粗體液-米糠發(fā)酵液代替植酸，結果顯示，與不添加米糠發(fā)酵液相比，在黑曲霉風化黑云母的培養(yǎng)基中添加米糠發(fā)酵液使K+溶出量提高了約70mg。為了

7、進一步提高鉀的轉化效率，通過綜合應用化學法浸提及黑曲霉浸提的方法浸提黑云母，并且探究了經浸提后黑云母的轉化產物對重金屬的吸附效能。研究結果表明，硫酸能有效浸提黑云母中的鉀，黑曲霉浸提雖然沒能釋放出更多的鉀，但溶出黑云母骨架結構的組成元素硅。這些研究結果為我國低品位鉀礦的有效利用及鉀肥的開發(fā)和生產提供了新思路。同時，經浸提后，黑云母結構發(fā)生變化，對Cd的吸附固定有一定效果，這對于降低我國農田土壤重金屬的生物有效性有重要意義。
　　目