嗜酸性原核生物与二价铁矿物质作用机理及其对环境的影响

• 作 者: 赵毅伟
• 出 处: 科协论坛·下半月
• 发表日期: 2012年10期
• 关键词: 原核生物 二价铁 微生物 有机质 分子反应 矿物质 砷黄铜 电化学反应 基因学研究 微生物氧化

　　摘要：微生物在地质进化的过程中，一直同参与地球化学循环的铁元素一起被广泛的关注。二价铁 Fe（II）矿物质的微生物氧化作用可以通过最少三种途径出现，最重要的是通过一种能促进铁硫化物中氧化作用产生的嗜酸原核生物实现的。砷黄铜矿的加速分解就是一个很好的例子。类似于端螺旋菌亚铁这样的有机体的出现，使多步电化学反应变得更加容易。用实验和计算模拟研究的方法，对铁氧化物表面进行的基因学研究发现，即使是简单的有机分子反应，也呈现出复杂多样的变化。
　　关键词：微生物 有机质 矿物质 铁 氧化物 环境
　　中图分类号：Q913 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-112-02
　　1 引言
　　最近几年来，关于微生物圈和地圈最外层地带间相互作用的重要性越来越多地被社会所关注。这些离地表只有几米的区域，支撑着地球上所有的生命，因此，它们现在成为了“关键区”。不可否认的是，现代人类通过大量开采和使用地球资源对这些地带造成巨大影响。据估计，直到19世纪20年代中叶，人类活动所消耗的资源接近于自然消耗的总和。
　　本文中，对于矿物质-（有机体）-微生物相互影响的理解认识是通过以铁元素为中心的例子来描述的。它们包含了铁矿物质的微生物氧化还原作用，以及它们对携带溶解金属的流体迁移的影响等。这类研究在矿物—微生物相互影响的潜在技术应用，“环境清理”中的合成生物矿物质过程，或者是工业生产过程（如：工业催化过程）中，都有所涉及。
　　2 矿物-有机质相互影响
　　在最基础的阶段，矿物表面和微生物的相互影响其实就是表面与有机分子之间的相互影响。运用分子尺度上的表面性质理论，可以更好的帮助我们理解和认识这种影响。其实，在分子尺度上对这种相互影响的研究，现在已经可以通过实验或者计算的方法得以实现。例如：在三种对立有机分子：甲酸，吡啶和四氯化碳影响下，对磁铁矿（111）表面原子分辨率的研究。
　　这项研究包括了在超高真空（UHV）條件的控制下的扫描隧道显微镜（STM）实验，较为系统的解释了简单矿物质复杂的表面结构。在图1中我们可以看到三种实验室STM的清晰图像（分别是A，A’和B表面）；它们都是磁铁矿（111）的原子分辨图像。这些STM数据可以用来解释或描述从散装结构中提取的不同程度的磁铁矿（111）碎片的过程。因此当我们仅仅考虑一种特定矿物质的单一表面，就可能会出现一些意想不到的麻烦。
　　除了用STM的方法来研究和探索矿物质表面分子结构，还可以通过仔细的对照实验数据后，用计算机建模技术来实现同样的效果。图2中的STM图像是通过对三种铁（氢）氧化物的表面进行量子力学计算所的得到的。磁铁矿（111）表面，对应上面提到过的“表面B”与实验表现出了良好的一致性（如图1）；然而迄今为止，科学家还未能成功的通过STM对赤铁矿（0001）和针铁矿（010）的表面做原子分辨率图像。