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王贺祥微生物七 微生物在自然界物质循环中的作用.ppt
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3秒自动关闭窗口微生物在自然矿物中起到了什么样的作用？
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前面有答案提到了那我就按照生物矿化来答喽！微生物在地球的矿物形成与分解的过程中可以说无处不在。微生物不仅可以在体外诱导矿物形成，还可以在体内生成矿物；它们不仅可以提供矿物形成所需的原料，还可以控制矿物的形态。咱们一点儿一点儿的来认识一下这些厉害的小家伙们在成矿上的能耐！一、微生物成矿1、生物矿物（biogenic minerals）生物矿物就是由生物细胞（多为细菌）及其外部结构形成的矿物。最为有名的生物矿物是我们耳熟能详的碳酸盐岩岩中的方解石、文石、球霰石。最具有代表性的就是下图的这个小东西，学名叫做Coccolithi 颗石藻，它是大洋深海钙质软泥的主要成分，也是地球碳循环的重要组成部分，它们在死亡后的尸体沉积构成了海洋碳酸盐岩的主体。除此之外，还有很多种微生物形成的矿物如磷酸盐矿物、硫化物矿物、硫酸盐矿物、磁铁矿、针铁矿等。除此之外，还有很多种微生物形成的矿物如磷酸盐矿物、硫化物矿物、硫酸盐矿物、磁铁矿、针铁矿等。铝土矿：铝土矿中的针铁矿小球：生物成因的矿物大多在纳米到微米尺度，并具有特定的形态、成分，与成岩矿物可以明显区分。 2、微生物矿化作用（1）微生物诱导的矿化作用(BIM, bacteria-induced mineralization)特点是矿物的形成取决于微生物营造的环境，是微生物活动或新陈代谢的副产品。微生物的生理活动诱导矿化，包括高价硫、氮和金属作为电子受体的异化呼吸作用。其中最为有名的发现就是下面这份发表在science上的文章，其作者Labrenz et al. (2000)在硫酸盐还原菌表面实际获得了纳米级闪锌矿微球粒集合体。当然下图这个是假染色的结果。。里面蓝色的是硫酸盐还原细菌膜、绿色的是闪锌矿微粒、黄色的是纳米级微球粒。其中最为有名的发现就是下面这份发表在science上的文章，其作者Labrenz et al. (2000)在硫酸盐还原菌表面实际获得了纳米级闪锌矿微球粒集合体。当然下图这个是假染色的结果。。里面蓝色的是硫酸盐还原细菌膜、绿色的是闪锌矿微粒、黄色的是纳米级微球粒。在SEM下原图其实是这个样子的：在SEM下原图其实是这个样子的：其实我们所熟知的钟乳石、钙华等也是由生物诱导的矿化作用形成的。下图是惠东热泉微生物席矿化层上部TEM图。颗粒状硅胶体（m）吸附在蓝细菌鞘外（s）或细胞壁外的EPS（p）层中，形成密集的硅质壳层（t），活蓝细菌细胞内（b）没有矿化作用的发生。在一些已死亡的蓝细菌个体中，硅胶体已进入细胞内部。（2）
微生物控制的矿化作用 (BCM, bacteria-controlled mineralization)微生物细胞决定了矿物形成的形态。微生物控制下形成的矿物具有特别的晶体结构、低可溶性、稳定同位素分馏的特点和痕量元素的不均衡。细胞内影响矿物形态：（细胞内形成的磁铁矿控制，Bazilinsky et al., 2000）细胞表面结构影响矿物结晶形态：（微生物细胞表面结构影响矿物结晶的形态，Sleytr et al., 2001）这些微生物表面结构会使得矿物也按照一定的微结构来结晶，比如下图这种铀矿的析出形态。二、微生物分解矿物提到形成就得再聊聊分解，其实现在微生物在矿物的处理和尾矿堆的处理上有着很大的前景，这一点 同学已经解释的很清楚了，无非就是微生物加速矿物的分解和沉淀过程。以铁硫化物矿物为例：从图中我们可以看出，二价铁经由微生物氧化作用被氧化为三价铁，并由三价铁继续加快矿物溶解并氧化硫元素，进而形成高价铁氧化物、硫酸盐，最终目的就是将重金属固定并达到再次富集提高产量、环保排放的目的。而尾矿区内的微生物反应大概模式如下：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);下图就是SRB细菌作用下形成的硫化物沉淀复合体。至于其地球化学意义，我们用下面这一张图就可以讲清楚，矿物的微生物分解伴随着微生物诱导矿化，维系着地表体系的生命。至于其地球化学意义，我们用下面这一张图就可以讲清楚，矿物的微生物分解伴随着微生物诱导矿化，维系着地表体系的生命。不仅仅如此，微生物作用并不仅限于矿坑的AMD中，还会体现在地球表层的ACD（acid rock drainage）中。首先，地壳抬升促进大陆风化作用，微生物的存在会加速Fe、S、C、N等的循环；其次，微生物也是寻找生物起源和大氧化事件的地质记录（3.4Ga)；还是重金属进入生态系统的重要途径。不仅仅如此，微生物作用并不仅限于矿坑的AMD中，还会体现在地球表层的ACD（acid rock drainage）中。首先，地壳抬升促进大陆风化作用，微生物的存在会加速Fe、S、C、N等的循环；其次，微生物也是寻找生物起源和大氧化事件的地质记录（3.4Ga)；还是重金属进入生态系统的重要途径。其中DIRB细菌还对BIF的形成、Fe同位素分馏、重金属地球化学行为等有着重要的研究价值，而SRB细菌则对于碳酸盐形成、成矿作用、油气生成、生物灭绝等有着重要价值。以上。
已深刻认识到偏题~慎入一些微生物能够以矿物为营养基质，将矿物氧化分解，从而使金属进入溶液，通过进一步的富集、纯化来获得纯度较高的金属。目前已经得到了一定程度的工业应用，并且有一个颇为高大上的名字——生物冶金。在先期工业化的国家以全球的富矿资源完成发展以后，人类面临的是越来越贫、细、杂，难处理的矿石资源，而微生物就是处理这类资源的小能手。研究较多的主要是对硫化矿的处理，根据最终的目的和过程中金属的流向，可大致分为两种作用：微生物浸出和微生物氧化。二者的原理是一样的，区别在于前者是指使矿物中的金属如铁、铜等变成离子进入溶液，经过后续的提取，获得较纯的金属；后者是指通过微生物的氧化作用，使矿物中的某些贵金属如金、银、铂等暴露出来，便于下一步处理。另外，微生物也能将水溶液中的金属吸附于细胞表面或者通过代谢作用积累在体内，分别叫做微生物吸附和微生物积累。由于矿石含硫或者硫化物，在开采过程中被暴露出来并氧化，产生酸性的富含金属的积水，即酸性矿坑水（AMD）。能够对矿石起作用的微生物一般来自酸性矿坑水。这些微生物中有的可以氧化硫，如氧化硫硫杆菌、布赖尔利叶琉球菌；有的可以氧化亚铁，如氧化亚铁钩端螺杆菌；有的既能氧化亚铁也能氧化硫，如氧化亚铁硫杆菌。所以这些微生物在对矿物的氧化过程中通常是协同作用的。对于微生物作用于硫化矿的机制有两种主流的说法：直接作用和间接作用。直接作用是指微生物吸附于矿物表面，通过自身的代谢活动直接将矿物分解为金属离子和元素硫，并进一步将硫氧化为硫酸。在这一过程中，细菌接受矿物氧化释放的电子，通过自身代谢最终传递给氧。反应式为：间接作用是指微生物将浸出体系中的亚铁氧化成三价铁，三价铁以其强氧化性对矿物进行化学氧化，产生金属离子和亚铁，亚铁再次被微生物氧化，如此循环。在这一过程中，硫被微生物氧化成硫酸。反应式为：间接作用是指微生物将浸出体系中的亚铁氧化成三价铁，三价铁以其强氧化性对矿物进行化学氧化，产生金属离子和亚铁，亚铁再次被微生物氧化，如此循环。在这一过程中，硫被微生物氧化成硫酸。反应式为：在大多数情况下，直接作用和间接作用是同时存在的，但所占主次不同。以黄铜矿为代表的如磁黄铁矿、铁闪锌矿等的微生物氧化以直接作用为主，以黄铁矿为代表的如砷黄铁矿等以间接作用为主。在大多数情况下，直接作用和间接作用是同时存在的，但所占主次不同。以黄铜矿为代表的如磁黄铁矿、铁闪锌矿等的微生物氧化以直接作用为主，以黄铁矿为代表的如砷黄铁矿等以间接作用为主。
微生物可以诱导某些矿物的形成，抑制另一些矿物的形成，同时对形成矿物的形貌进行调控，而这一切作用都可以归结为化学、物理作用。就个人了解而言，微生物对矿物的影响与微生物本身新陈代谢息息相关：1）为某些矿物形成提供物质原料：代谢得到的碳酸根、硫酸根、铵根等等，与环境中阳离子生成相应矿物2）代谢得到的糖类、氨基酸等有机质，将会对矿化过程产生极大影响，一方面可以影响产物物相（参照鱼类耳石在同一生物体内，由于蛋白质不同，最终构成分别为球霰石和文石），另一方面因为所带的特殊基团影响晶体晶面取向，从而调节矿物微观形貌3）微生物代谢过程中会发生电子传递，必然存在电子受体和电子供体，局部电位的变化将诱导矿物在特殊位置生成；而可能发生的氧化还原反应也会影响矿物产物（参照三价铁二价铁）。实际上，说新陈代谢过程有些片面了，微生物表面的细胞膜上的蛋白质就已经会在矿物形成过程中产生影响了。比如在细菌表面分紧密EPS和松散EPS，其中有机质的差别都会导致最终产物的不同。
主要实现了生态圈的一个动态平衡
题主问的是微生物在生物矿化(biomineralization)过程中起到的作用? 是的话改日再答----------------------------才发现占了个坑一直没填， 已经回答得比较全面了，关于题主感兴趣的建筑材料修复的问题，属于bacteria induced mineralization/precipitation，起作用的主要是尿素水解菌。尿素在细菌里的尿素水解酶的作用下水解生成氨/铵根和碳酸氢根/碳酸根，然后钙离子与之生成碳酸钙沉淀当建筑材料出现裂缝的时候，就可以把含有钙离子、尿素和尿素水解菌的溶液灌进去，慢慢就会矿化生成碳酸钙，修复裂缝
有答案说地很好。但我还想强调下碳酸钙沉淀，还有微生物对矿物的溶解。我在这里摘抄自己最近写的一篇特邀综述：“
这些生物诱导的矿物沉淀过程从根本上改变了矿物表面的物理化学特性,
其中有三类我们已熟知的反应直接影响到环境工程治理中利用微生物修复和降解污
染物。这三类反应分别是 1)尿素分解细菌诱导碳酸钙沉淀;2)硫酸盐还原菌
(SRB)作用下金属硫化物的形成;3)铁还原微生物异化还原铁形成次生铁矿物。”
引用需标明，谢谢。（SEM image on D. vulgaris biomimeralization from Personna et al., 2008)
刚学完一门叫微生物地质学的课。微生物可以影响矿物形成的条件，比如pH,Eh等。有的还可以提供某些元素，如Fe,S等。
外行人胡言乱语来说几句。脑洞大开题主不要见怪。微生物中对矿物影响最大，应该是蓝藻一类的藻类生物。在很久很久以前，那个时候地球上氧气的含量还不是很多，空气中主要充斥着二氧化碳。这个时候蓝藻出现了，然后开始光合作用，将二氧化碳转化为氧气。空气中氧气的增多和适宜的环境使得铁铜，这些金属开始被氧化成我们现在能看到的铁矿石和铜矿石。没记错的话这个时期叫做大氧化事件（Great Oxygenation Event）。先来答这么多。要是有人看，有人点赞或者有人评论我就再去好好查查资料来答点更多的东西Update：
19:39 大圣诞节的不过节在这码字也是蛮拼的……首先蓝藻在大氧化事件中的作用还只是一个假说而已，但是貌似越来越多的证据在指向这个假说。另加入下时间，大概是26亿年前。
失控 也提到这个了
第五章最后一两节
平衡生态吧。。。必有它存在的意义
证明它的存在有意义
不然科学家做什么？
请查阅《环境化学》一书，有详细回答酸性矿排水中微生物遗传多态性研究,遗传多态性,多态性,单核苷酸多态性,基因多态性..
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酸性矿排水中微生物遗传多态性研究
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岩溶生态系统中微生物对岩溶作用影响的认识
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