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微生物在自然礦物中起到了什麼樣的作用?

2017年08月13日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 22 ℃ 次

【獵狗先生的回答(28票)】:

前面有答案提到了那我就按照生物礦化來答嘍!

微生物在地球的礦物形成與分解的過程中可以說無處不在。微生物不僅可以在體外誘導礦物形成,還可以在體內生成礦物;它們不僅可以提供礦物形成所需的原料,還可以控制礦物的形態。咱們一點兒一點兒的來認識一下這些厲害的小傢伙們在成礦上的能耐!

一、微生物成礦

1、生物礦物(biogenic minerals)

生物礦物就是由生物細胞(多為細菌)及其外部結構形成的礦物。最為有名的生物礦物是我們耳熟能詳的碳酸鹽巖巖中的方解石、文石、球霰石。最具有代表性的就是下圖的這個小東西,學名叫做Coccolithi 顆石藻,它是大洋深海鈣質軟泥的主要成分,也是地球碳循環的重要組成部分,它們在死亡後的屍體沉積構成了海洋碳酸鹽巖的主體。

除此之外,還有很多種微生物形成的礦物如磷酸鹽礦物、硫化物礦物、硫酸鹽礦物、磁鐵礦、針鐵礦等。除此之外,還有很多種微生物形成的礦物如磷酸鹽礦物、硫化物礦物、硫酸鹽礦物、磁鐵礦、針鐵礦等。

鋁土礦:

鋁土礦中的針鐵礦小球:

生物成因的礦物大多在納米到微米尺度,並具有特定的形態、成分,與成巖礦物可以明顯區分。

2、微生物礦化作用

(1)微生物誘導的礦化作用(BIM, bacteria-induced mineralization)

特點是礦物的形成取決於微生物營造的環境,是微生物活動或新陳代謝的副產品。微生物的生理活動誘導礦化,包括高價硫、氮和金屬作為電子受體的異化呼吸作用

其中最為有名的發現就是下面這份發表在science上的文章,其作者Labrenz et al. (2000)在硫酸鹽還原菌表面實際獲得了納米級閃鋅礦微球粒集合體。當然下圖這個是假染色的結果。。裡面藍色的是硫酸鹽還原細菌膜、綠色的是閃鋅礦微粒、黃色的是納米級微球粒。其中最為有名的發現就是下面這份發表在science上的文章,其作者Labrenz et al. (2000)在硫酸鹽還原菌表面實際獲得了納米級閃鋅礦微球粒集合體。當然下圖這個是假染色的結果。。裡面藍色的是硫酸鹽還原細菌膜、綠色的是閃鋅礦微粒、黃色的是納米級微球粒。

在SEM下原圖其實是這個樣子的:在SEM下原圖其實是這個樣子的:

其實我們所熟知的鐘乳石、鈣華等也是由生物誘導的礦化作用形成的。下圖是惠東熱泉微生物席礦化層上部TEM圖。顆粒狀硅膠體(m)吸附在藍細菌鞘外(s)或細胞壁外的EPS(p)層中,形成密集的硅質殼層(t),活藍細菌細胞內(b)沒有礦化作用的發生。在一些已死亡的藍細菌個體中,硅膠體已進入細胞內部。

(2) 微生物控制的礦化作用 (BCM, bacteria-controlled mineralization)

微生物細胞決定了礦物形成的形態。微生物控制下形成的礦物具有特別的晶體結構、低可溶性、穩定同位素分餾的特點和痕量元素的不均衡。

細胞內影響礦物形態:

(細胞內形成的磁鐵礦控制,Bazilinsky et al., 2000)

細胞表面結構影響礦物結晶形態:

(微生物細胞表面結構影響礦物結晶的形態,Sleytr et al., 2001)

這些微生物表面結構會使得礦物也按照一定的微結構來結晶,比如下圖這種鈾礦的析出形態。

二、微生物分解礦物

提到形成就得再聊聊分解,其實現在微生物在礦物的處理和尾礦堆的處理上有著很大的前景,這一點 @Haizhen Zhu同學已經解釋的很清楚了,無非就是微生物加速礦物的分解和沉澱過程。

以鐵硫化物礦物為例:

從圖中我們可以看出,二價鐵經由微生物氧化作用被氧化為三價鐵,並由三價鐵繼續加快礦物溶解並氧化硫元素,進而形成高價鐵氧化物、硫酸鹽,最終目的就是將重金屬固定並達到再次富集提高產量、環保排放的目的。而尾礦區內的微生物反應大概模式如下:

Chinese Sci Bull.(2009);PCCP(2011);GCA(2011); J Phys. Chem. A (2010);Chinese Sci Bull.(2009);PCCP(2011);GCA(2011); J Phys. Chem. A (2010);

下圖就是SRB細菌作用下形成的硫化物沉澱復合體。

至於其地球化學意義,我們用下面這一張圖就可以講清楚,礦物的微生物分解伴隨著微生物誘導礦化,維繫著地表體系的生命。至於其地球化學意義,我們用下面這一張圖就可以講清楚,礦物的微生物分解伴隨著微生物誘導礦化,維繫著地表體系的生命。

不僅僅如此,微生物作用並不僅限於礦坑的AMD中,還會體現在地球表層的ACD(acid rock drainage)中。首先,地殼抬升促進大陸風化作用,微生物的存在會加速Fe、S、C、N等的循環;其次,微生物也是尋找生物起源和大氧化事件的地質記錄(3.4Ga);還是重金屬進入生態系統的重要途徑。不僅僅如此,微生物作用並不僅限於礦坑的AMD中,還會體現在地球表層的ACD(acid rock drainage)中。首先,地殼抬升促進大陸風化作用,微生物的存在會加速Fe、S、C、N等的循環;其次,微生物也是尋找生物起源和大氧化事件的地質記錄(3.4Ga);還是重金屬進入生態系統的重要途徑。

其中DIRB細菌還對BIF的形成、Fe同位素分餾、重金屬地球化學行為等有著重要的研究價值,而SRB細菌則對於碳酸鹽形成、成礦作用、油氣生成、生物滅絕等有著重要價值。

以上。

【HaizhenZhu的回答(26票)】:

已深刻認識到偏題~慎入

一些微生物能夠以礦物為營養基質,將礦物氧化分解,從而使金屬進入溶液,通過進一步的富集、純化來獲得純度較高的金屬。目前已經得到了一定程度的工業應用,並且有一個頗為高大上的名字——生物冶金。在先期工業化的國家以全球的富礦資源完成發展以後,人類面臨的是越來越貧、細、雜,難處理的礦石資源,而微生物就是處理這類資源的小能手。研究較多的主要是對硫化礦的處理,根據最終的目的和過程中金屬的流向,可大致分為兩種作用:微生物浸出和微生物氧化。二者的原理是一樣的,區別在於前者是指使礦物中的金屬如鐵、銅等變成離子進入溶液,經過後續的提取,獲得較純的金屬;後者是指通過微生物的氧化作用,使礦物中的某些貴金屬如金、銀、鉑等暴露出來,便於下一步處理。另外,微生物也能將水溶液中的金屬吸附於細胞表面或者通過代謝作用積累在體內,分別叫做微生物吸附和微生物積累。

由於礦石含硫或者硫化物,在開採過程中被暴露出來並氧化,產生酸性的富含金屬的積水,即酸性礦坑水(AMD)。能夠對礦石起作用的微生物一般來自酸性礦坑水。這些微生物中有的可以氧化硫,如氧化硫硫桿菌、布賴爾利葉琉球菌;有的可以氧化亞鐵,如氧化亞鐵鉤端螺桿菌;有的既能氧化亞鐵也能氧化硫,如氧化亞鐵硫桿菌。所以這些微生物在對礦物的氧化過程中通常是協同作用的。

對於微生物作用於硫化礦的機制有兩種主流的說法:直接作用和間接作用。直接作用是指微生物吸附於礦物表面,通過自身的代謝活動直接將礦物分解為金屬離子和元素硫,並進一步將硫氧化為硫酸。在這一過程中,細菌接受礦物氧化釋放的電子,通過自身代謝最終傳遞給氧。反應式為:

間接作用是指微生物將浸出體系中的亞鐵氧化成三價鐵,三價鐵以其強氧化性對礦物進行化學氧化,產生金屬離子和亞鐵,亞鐵再次被微生物氧化,如此循環。在這一過程中,硫被微生物氧化成硫酸。反應式為:間接作用是指微生物將浸出體系中的亞鐵氧化成三價鐵,三價鐵以其強氧化性對礦物進行化學氧化,產生金屬離子和亞鐵,亞鐵再次被微生物氧化,如此循環。在這一過程中,硫被微生物氧化成硫酸。反應式為:

在大多數情況下,直接作用和間接作用是同時存在的,但所佔主次不同。以黃銅礦為代表的如磁黃鐵礦、鐵閃鋅礦等的微生物氧化以直接作用為主,以黃鐵礦為代表的如砷黃鐵礦等以間接作用為主。在大多數情況下,直接作用和間接作用是同時存在的,但所佔主次不同。以黃銅礦為代表的如磁黃鐵礦、鐵閃鋅礦等的微生物氧化以直接作用為主,以黃鐵礦為代表的如砷黃鐵礦等以間接作用為主。

【張亦凡的回答(3票)】:

微生物可以誘導某些礦物的形成,抑制另一些礦物的形成,同時對形成礦物的形貌進行調控,而這一切作用都可以歸結為化學、物理作用。

就個人瞭解而言,微生物對礦物的影響與微生物本身新陳代謝息息相關:

1)為某些礦物形成提供物質原料:代謝得到的碳酸根、硫酸根、銨根等等,與環境中陽離子生成相應礦物

2)代謝得到的糖類、氨基酸等有機質,將會對礦化過程產生極大影響,一方面可以影響產物物相(參照魚類耳石在同一生物體內,由於蛋白質不同,最終構成分別為球霰石和文石),另一方面因為所帶的特殊基團影響晶體晶面取向,從而調節礦物微觀形貌

3)微生物代謝過程中會發生電子傳遞,必然存在電子受體和電子供體,局部電位的變化將誘導礦物在特殊位置生成;而可能發生的氧化還原反應也會影響礦物產物(參照三價鐵二價鐵)。

實際上,說新陳代謝過程有些片面了,微生物表面的細胞膜上的蛋白質就已經會在礦物形成過程中產生影響了。比如在細菌表面分緊密EPS和鬆散EPS,其中有機質的差別都會導致最終產物的不同。

【Oon天奇的回答(1票)】:

剛學完一門叫微生物地質學的課。微生物可以影響礦物形成的條件,比如pH,Eh等。有的還可以提供某些元素,如Fe,S等。

【丁向學的回答(0票)】:

失控 也提到這個了 第五章最後一兩節

【魚非的回答(0票)】:

平衡生態吧。。。必有它存在的意義

【張小一的回答(0票)】:

證明它的存在有意義

【祖文的回答(0票)】:

味精~

標籤:-生物學 -微生物 -微生物學 -礦物


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