细菌调控的鸟粪石形态发生机制及其在氮磷回收中的应用

• 作 者: 李涵 姚奇志 黄亚蓉 周根陶
• 机 构: 中国科学院壳幔物质与环境重点实验室,中国科学技术大学地球和空间科学学院,合肥,230026 中国科
• 出 处: 2016年全国矿物科学与工程学术研讨会
• 发表日期: 2016年11期
• 关键词: 鸟粪石 细菌调控 矿化过程 氮磷回收

鸟粪石也称磷酸铵镁(MgNH4PO4·6H2O),属于正交晶系矿物,常见非生物成因形貌有等轴状、短棱柱状、楔形和板状等.近年来,研究者对鸟粪石的关注日益增加,一方面,它是感染性结石的主要组成矿物(e.g.,Prywer et al.,2012;Li et al.,2015);另一方面,以鸟粪石为载体从废水中回收氮磷,提供了一种新的氮磷回收工艺.为此,研究者开展了大量鸟粪石结晶实验,从小试到中试甚至工业化规模,目的是提高鸟粪石的产量和降低工艺成本.不过,这些研究主要关注物理化学参数(如pH、温度、混合能和过饱和度等)对鸟粪石结晶沉淀的影响,很少涉及微生物的矿化作用(Soares et al.,2014).
为了深入理解鸟粪石矿化过程中晶体生长习性与细菌代谢活动之间的关系，特别是了解富含氮磷的富营养化废水中微生物矿化乌粪石的作用和机制过程，希瓦氏菌属Shewanella oneidensis MR-1被选作模型微生物，在合成废水中诱导鸟粪石的矿化。同时，通过一系列分离技术从细菌培养液中分离不同的细菌组元，采用仿生矿化的实验方法研究这些不同组元对鸟粪石结晶、生长和形貌形成的影响。细菌原位矿化实验显示，S.oneidensis MR-1不仅能够诱导鸟粪石矿化和生长，而且能够调控特殊形貌的棺材盖形鸟粪石的形成。仿生矿化实验表明，不同的细菌组元对鸟粪石形貌产生的影响不同。其中，低分子量多肽在棺材盖形鸟粪石的形成中发挥了重要调控作用，而棱柱状和切角板状鸟粪石的形成可能分别受控于溶解态胞外聚合物(SEPS)和结合态胞外聚合物(BEPS)，这就为细菌调控鸟粪石形态发生机制提供了新的解释。此外，不同培养条件下的细菌原位矿化实验也显示，菌株MR-1不仅能有效诱导鸟粪石的矿化，而且能够直接把水体中的有机磷和有机氮转化为鸟粪石沉淀。可见，菌株MR-1不仅是鸟粪石矿化的理想菌株，也能充当富营养化水体的清道夫，这将促进鸟粪石结晶技术与氮磷去除工艺的联合。总之，本研究不仅加深了对微生物矿化鸟粪石机制的理解，丰富和发展了生物矿物学，而且能够推动鸟粪石结晶工艺的发展。