引用本文
王帅, 徐俊平, 陈殿元, 姜帅, 李兴吉, 盛炳翰, SchaefferSean. 粘土矿物参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物的结构特征研究. 光谱学与光谱分析, 2018,38(9): 2903-2909
WANG Shuai, XU Jun-ping, CHEN Dian-yuan, JIANG Shuai, LI Xing-ji, SHENG Bing-han, Schaeffer Sean. Structure Characteristics of Mineral-Microbial Residues Formed by Microbial Utilization of Lignin Based on the Participations of Different Clay Mineral Types. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(9): 2903-2909.  
Doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)09-2903-07
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粘土矿物参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物的结构特征研究
王帅1,2, 徐俊平1, 陈殿元1,*, 姜帅1, 李兴吉1, 盛炳翰1, SchaefferSean2
1. 吉林农业科技学院农学院, 吉林 吉林 132101
2. Institute of Agricalture, The University of Tennessee, Knoxville, TN 37996, USA
*通讯联系人 e-mail: jlcdy@sina.com

作者简介: 王 帅, 1982年生, 吉林农业科技学院农学院副教授 e-mail: wangshuai419@126.com

收稿日期: 2017-09-16 接受日期: 2018-01-20
基金项目: 国家自然科学基金项目(41401251), 吉林省科技厅优秀青年人才基金项目(20170520091JH), 吉林农业科技学院种子基金项目(吉林院合字[2018]第7004号)资助
摘要

粘土矿物在催化木质素形成腐殖质方面具有重要贡献。 为有效阐明微生物-木质素-粘土矿物三者间的关系, 探明矿物-菌体残留物的结构特征, 采用液体摇瓶培养法, 以木质素为碳源, 通过添加高岭石和蒙脱石, 在接种复合菌剂后启动110 d液体培养, 期间动态收集矿物-菌体残留物, 利用傅里叶红外光谱及扫描电子显微镜技术对其结构特性进行了研究。 结果表明: 高岭石颗粒边缘多由管状体卷曲而成, 在参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后, 连片状细小颗粒结构进一步团聚, 结合更加紧凑, 短管状结构增多, 但整体仍保持多水高岭石的结构特征; 在初始富营养条件下, 高岭石能够促进微生物繁衍, 使大量菌体聚集于高岭石表面, 掩蔽了Si—O和Si—O—Al键, 且矿物-菌体残留物中脂族碳结构比例增加; 菌体中多糖物质通过含氧官能团与高岭石表面的水化层在多个部位形成氢键, 氢键的形成对于高岭石稳定木质素及其降解产物具有重要作用, 芳香碳结构比例和多糖类物质含量随培养时间逐渐增加, 而后复合菌株对掩蔽在矿物表面的菌体进行二次利用, 使高岭石Si—O—Al键重现; 蒙脱石多由浑圆的颗粒结构组成, 接种微生物可使其表面产生溶蚀, 团粒结构遭到破碎; 与10 d相比, 历经30 d培养所得矿物-菌体残留物中的多糖类物质增多, 使原本归属蒙脱石Si—O—Si及Si—O结构的1 034~1 038 cm-1处吸收峰强度增加, 而后因多糖类物质与蒙脱石表面羟基发生缔合, 又使该处吸收峰强度减弱, 同时发生了氢键键合, 该作用是蒙脱石-微生物-木质素间相互作用、 形成矿物-菌体残留物的主要机制; 高岭石在稳定有机碳方面的能力要高于蒙脱石, 更易促进HS前体物质的形成。

关键词: 傅里叶红外光谱; 扫描电子显微镜; 粘土矿物; 木质素; 矿物-菌体残留物
中图分类号:S153.1 文献标识码:A
Structure Characteristics of Mineral-Microbial Residues Formed by Microbial Utilization of Lignin Based on the Participations of Different Clay Mineral Types
WANG Shuai1,2, XU Jun-ping1, CHEN Dian-yuan1,*, JIANG Shuai1, LI Xing-ji1, SHENG Bing-han1, Schaeffer Sean2
1. College of Agricultural Sciences, Jilin Agricultural Science and Technology University, Jilin 132101, China
2. Institute of Agricalture, The University of Tennessee, Knoxville, TN 37996, USA
Abstract

The catalytic action of clay minerals have an important contribution to the formation of humic substance (HS) from the lignin. In order to elucidate the relationship among the microorganisms, lignin and clay mineral effectively and reveal the structural characteristics of mineral-microbial residues, the method of liquid shake flask culture was adopted in this article, the lignin serving as the sole C source, through the addition of kaolinite or montmorillonite to start the liquid culture of 110 days after inoculating the multiple strains, and then the mineral-microbial residues were dynamically collected and their characteristics were studied by FT-IR and SEM techniques. The results were as follows: The kaolinite particles were mostly formed from the crimp of tube-like material edges. After its participation in the formation of microbial utilization of lignin, much more structures from the fine particles of mineral-microbial residues were further aggregated and they were more integrated, in the process the structures like short tubular were increased, but the overall state still maintained the structural characteristics of hydro-kaolinite. Under the initial culture with a rich variety of nutritive elements, the kaolinite could promote the microbial reproduction, which could make a large number of microorganisms gathered on the kaolinite surface and the Si—O and Si—O—Al bonds were masked. During the process, the proportion of aliphatic C structure of mineral-microbial residues were increased; The H bonds could be formed from the conjunction of multiple O-containing functional groups of high-molecular polysaccharides and the hydration shell of kaolinite at the multiple sites. The formation of H bonds had significant effect to stabilize the lignin and its degradation products from the kaolinite. With the culture, the proportion of aromatic C structure and the polysaccharides content were gradually increased, and then the microbial residues masked on the surface of kaolinite were utilized again by the multiple strains with active ability, which could make its Si—O—Al bond reappeared; Montmorillonite was mostly composed of round particles, and the dissolution was caused by the microbial inoculation on its surface, which could make the granular structures broken and produce much more fragmented structures. Compared with 10 days, the polysaccharides of mineral-microbial residues obtained from the culture of 30 days were increased, which could make the absorption peak at 1 034~1 038 cm-1 assigned as the Si—O—Si and Si—O bonds overlayed and strengthened, and then the intensity of absorption peak at 1 034~1 038 cm-1 was weakened due to the association of polysaccharides with hydroxyl of montmorillonite surface, and simultaneously the intermolecular H bonding occurred, which was the main mechanism for the interaction of montmorillonite, microorganisms and lignin and their formation of mineral-microbial residues. The ability to stabilize organic C from the kaolinite was more than montmorillonite, which was easier to promote the formation of HS precursor substances.

Key words: FT-IR; SEM; Clay mineral; Lignin; Mineral-microbial residues
引 言

木质素是一个三维的高分子聚合物, 是自然界中丰度仅次于纤维素且较难降解的芳香族化合物。 在植物细胞壁中, 纤维素和半纤维素多半受到木质素保护, 因此在植物残体分解过程, 木质素生物降解的快慢就成为矿化进程的限制因素。 矿化过程与腐殖化过程相辅相成, 后者的最终产物即为腐殖质(HS), 是土壤具有肥力的核心物质, 对于稳定全球碳平衡具有重要作用。 木质素可为HS形成提供基础物质, 木质素降解与HS形成关系密切[1]。 Smidt等[2]研究认为, 木质素添加将有助于HS核心组分— — 胡敏酸(HA)的形成; Š najdr等[3]采用13C标记法研究了簇生垂幕菇(Hypholoma fasciculare)和红柄小皮伞(Gymnopus erythropus)对森林凋落物中木质素成分的转化作用, 也发现多数木质素可在两类菌株释放漆酶和锰过氧化物酶的作用下转化为HS。 在远古时代, 土壤形成初期, 微生物、 低等植物残体、 粘土矿物必然是HS形成的基础物质, 微生物在粘土矿物参与下利用藻类、 菌类和地衣等植物残体形成了原始的HS[4]。

在微生物驱动下, 木质素等为基础原材料, 由粘土矿物提供场所, 三者间的相互联系是塑造岩石圈、 形成原始土壤的关键因素。 Liang等[5]研究表明, 微生物死亡残体对于有机碳量的贡献率远高于活体微生物, 其细胞壁的残留物包括几丁质、 肽聚糖等均能持续贡献土壤有机质, 被认为是腐殖质形成的重要来源。 Miltner等[6]利用SEM探明了13C细菌培养试验所得细胞残体的去向, 认为细菌细胞中约有50%被矿化, 10%存在在活的生物体中, 40%为死亡残体, 微生物死亡残体对于有机质的固持和积累更为重要。 Schmidt等[7]认为, 土壤中有机质的稳定性并非与含碳物质本身的复杂结构有关, 更多是因为矿物的参与使微生物难以结合含碳物质所致, 蒙脱石与菌丝结合后会影响营养物质和代谢物在菌丝内外的移动, 干扰细胞壁的气体通透性, 进而影响菌体的呼吸作用, 抑制微生物活性。 不同矿物类型能够提供不同的有机碳稳定机制[8], 粘土矿物具有较强的表面吸附能力, 更易吸附降解性较差的疏水性有机碳[9]。 而木质素作为难于降解的有机分子, 因此, 高岭石和蒙脱石的添加必然会使木质素分子迅速聚集在矿物表面, 对木质素的降解和利用产生影响。 蒙脱石属典型的2:1型粘土矿物, 其表面电荷以同晶替代产生的永久负电荷为主。 而高岭石为1:1型粘土矿物, 表面电荷以断键所产生的可变电荷为主。 相比之下, 高岭石稳定有机碳的能力要低于蒙脱石[10]。 Filip等[11]在研究黑附球菌(Epicoccum nigrum)和葡萄穗霉(Stachybotrys chartarum)参与下, 蒙脱石和高岭石对腐殖酸类聚合物形成的影响时发现, 两类粘土矿物均可缩短暗色物质形成的时间, 且可增加碱提取腐殖酸类聚合物的数量, 粘土矿物对于HS形成的催化作用主要是通过影响酚类物质的形成而实现。

上述研究结果明确了木质素降解与HS形成的关系、 微生物残体以及粘土矿物参与腐殖化进程的机理, 但对于粘土矿物、 木质素及微生物三者间的相互作用, 以及粘土矿物参与形成的矿物-菌体残留物与HS形成有何关系尚有待进一步研究。 因此, 本文拟采用液体摇瓶培养法, 以木质素为碳源基质, 通过添加蒙脱石或高岭石, 在接种复合菌剂后启动110 d的液体培养, 期间动态收集矿物-菌体残留物, 利用FTIR及SEM对矿物-菌体残留物特性进行研究, 旨在揭示蒙脱石和高岭石在参与微生物转化木质素过程对于HS形成的差异作用提供理论依据。

1 实验部分
1.1 材料

木质素(CAS No. [9005-53-2])购于东京化成工业株式会社; 高岭石和蒙脱石为国药集团化学试剂有限公司出产的高岭土(CAS No. [1332-58-7])和蒙脱土(CAS No. [1318-93-0]), 单位化学式分别为Al2[Si2O5](OH)4和Mg0.33Al1.67(Mg, Fe2+)0.33[Si4O10](OH)2。

复合菌株由细菌、 放线菌和真菌三大类群构成, 供试9种菌株均为白浆土的优势菌, 经筛选、 分离的菌株种类如下: 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、 巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、 短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)和地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)属细菌, 采用稀释平板法分离、 划线法纯化、 牛肉膏蛋白胨培养基扩培; 灰色链霉菌(Streptomyces griseus)和细黄链霉菌(Streptomyces microflavus)属放线菌, 采用稀释平板法分离、 划线法纯化、 高氏一号培养基扩培; 绿色木霉(Tichoderma viride)、 黑曲霉(Aspergillus niger)和桔青霉(Penicillium citrinum)属真菌, 分离采用稀释平板法、 纯化采用单孢子分离法、 计数采用血球计数板、 扩培采用马铃薯葡萄糖琼脂培养基进行。

1.2 方法

1.2.1 复合菌株悬液的制备方法

用少量无菌生理盐水将扩培好的单一菌株(或孢子)洗后, 倒入装有一定体积无菌生理盐水的三角瓶中, 30 ℃下振荡30 min制成单一菌株悬液, 随后将所制备的九种单一菌株悬液等量混匀, 制得复合菌株悬液, 悬液中枯草芽孢杆菌、 巨大芽孢杆菌、 短小芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌菌落数分别为9.8× 106, 5.9× 106, 6.3× 106和3.2× 106 cfu· mL-1, 灰色链霉菌和细黄链霉菌的菌落数分别为6.0× 109和5.1× 109 cfu· mL-1, 绿色木霉、 黑曲霉和桔青霉的孢子数量分别为68, 152和121 cfu· mL-1。

1.2.2 试验设计

采用液体摇瓶培养法进行, 培养液配方参照察氏培养基, 碳源由木质素提供, 具体配方如下: NaNO3 2.0 g, K2HPO4 1.0 g, KCl 0.5 g, MgSO4 0.5 g, FeSO4 0.01 g, 木质素1.0 g, 水 1 000 mL, 无需调节pH值。 称取300 mL培养液装入500 mL锥形瓶中, 结合试验设计添加1.0 g粘土矿物, 塞好自制棉塞, 用报纸包扎好后进行高压蒸汽灭菌, 于121 ℃下进行20 min灭菌彻底后, 在无菌条件下自然冷却, 随后接种复合菌株悬液。

为了揭示高岭石或蒙脱石参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物的结构特征, 设置如下2个处理: 高岭石(Kaolinite)用K表示, 蒙脱石(Montmorillonite)用M表示, 复合菌株悬液的接种体积按20 mL/300 mL培养液进行, 接种后, 塞好棉塞, 用报纸包扎好, 在28 ℃恒温条件下摇瓶(180~200 r· min-1)培养110 d, 期间按10, 30, 60和110 d动态取样, 分别由K-10, K-30, K-60, K-110和M-10, M-30, M-60, M-110表示, 取样后立即离心(12 000 r· min-1, 10 min), 收集沉淀物质, 即为矿物-菌体残留物。 相应再设置2个培养110 d后的对照处理, 用K-110-CK1或M-110-CK1表示无微生物, 仅在混有高岭石或蒙脱石的木质素培养液中添加无菌水的处理。 用K-110-CK2或M-110-CK2表示无木质素, 在仅有高岭石或蒙脱石、 缺失木质素的培养液中接种复合菌株悬液的处理, 待110 d培养后立即离心, 收集沉淀, 即为残留物。 将矿物-菌体残留物以及残留物在60 ℃鼓风干燥箱中烘至恒重、 磨细过0.25 mm筛, 备用。 高岭石和蒙脱石原样品分别用K-sample和M-sample表示。

1.3 仪器

矿物-菌体残留物样品与光谱纯KBr 1:100混合、 研磨、 压片, 利用FTIR-850傅里叶变换红外光谱仪(天津港东科技发展股份有限公司)进行FTIR测试: 扫描次数32, 分辨率4 cm-1, Y轴格式: 透过率, 切趾方式: Triangle, 每次采集样品前采集背景并扣除。

采用SS550型扫描电子显微镜(日本岛津仪器公司)对样品进行表面形貌观察, 测试条件为15.00 kV, 分辨率为6 nm。

2 结果与讨论
2.1 不同粘土矿物参与形成矿物-菌体残留物的SEM图像

图1展示了高岭石及其参与形成矿物-菌体残留物的SEM图像。 由图1可见, 高岭石表观结构主要由大小不均匀的细小颗粒组成, 结合状态比较松散, 颗粒边缘多由管状体卷曲而成, 由此可判定为多水高岭石[12]。 此外, 从SEM图像中几乎看不到片状的高岭石, 部分结构的晶角已变钝, 呈不规则形状, 结晶度较差, 这与黄明等[13]制备的磁性高岭石表观构造一致。 高岭石在参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后, 其表观特征有所改变, 主要体现在: 连片状细小颗粒结构进一步团聚, 结合更加紧凑, 短管状结构增多, 但整体仍保持多水高岭石的结构特征。 边缘结构变钝, 源于复合菌株结合在矿物边缘所致[14]。 同时, 微生物更多倾向于吸附在高岭石表面的缺陷、 裂缝及位错等区域, 各区域吸附菌体物质后逐渐长大扩展并逐步联结在一起。

图1 高岭石及参与形成矿物-菌体残留物的SEM图像Fig.1 SEM photographs of kaolinite and its formed mineral-microbial residues

图2显示了蒙脱石及其参与形成矿物-菌体残留物的SEM图像。 由图2可知, 在矿物-菌体残留物形成过程, 蒙脱石因相邻晶层之间的联系力较弱, 遇水易膨胀, 具有巨大的层间内表面[15], 因此, 层间易涌入木质素且在层间易遭微生物降解, 而后在干燥过程, 蒙脱石团粒结构易遭破碎, 呈碎片式结构, 外观不规则, 好似极薄的晶片堆叠而成。 同时, 微生物对蒙脱石表面也产生了溶蚀作用, SEM图像中几乎没有完整细胞, 多为有机拼接碎片[6], 这也使蒙脱石原本浑圆的颗粒结构在大量菌体物质覆盖后, 边缘模糊不清、 表面凹凸不平。

图2 蒙脱石及参与形成矿物-菌体残留物的SEM图像Fig.2 SEM photographs of montmorillonite and its formed mineral-microbial residues

2.2 不同粘土矿物参与形成矿物-菌体残留物的FTIR

2.2.1 高岭石参与形成矿物-菌体残留物的FTIR测试结果

图3是高岭石参与形成矿物-菌体残留物的红外光谱。 由图3可见, 供试高岭石既没有代表内部羟基和层面间外部羟基的振动吸收峰3 696.6和3 619.9 cm-1, 也没有940.0 cm-1处的特征峰[16], 高岭石与其参与形成矿物-菌体残留物的结构之间存在明显差异。 在K系列样品中, 3 431~3 458 cm-1处吸收峰代表水合羟基峰, 可归属高岭石内羟基和外羟基的振动吸收峰[17], 2 920和2 852 cm-1分别代表不对称脂肪族和对称脂肪族C— H的伸缩振动[18], 波数在1 630 cm-1处特征吸收峰可归属N— H振动[19]或游离水的吸收峰, 1 468 cm-1为脂族结构中甲基和亚甲基的变形振动[20], 1 100 cm-1代表高岭石Si— O的平面对称伸缩振动[20], 在841 cm-1处存在Mg— OH键的弯曲振动[21], 744和563 cm-1属于Si— O— Al振动, 后者亦可归属Fe3O4粒子Fe— O的特征吸收峰[22], 469 cm-1代表Si— O— Si的弯曲振动。 在高岭石参与形成的矿物-菌体残留物中, 芳香基上的C＝C伸缩振动可使波数在1 628~1 630 cm-1处的吸收峰产生叠加效果。 木质素的特征吸收带一般在1 500~1 400 cm-1范围, 1 450~1 468 cm-1吸收峰是由— CH3和— CH2的振动引起的。

图3 高岭石参与形成矿物-菌体残留物的FTIRFig.3 FTIR of mineral-microbial residues formed by kaolinite

表1是高岭石参与形成矿物-菌体残留物FTIR主要吸收峰相对强度的变化。 由表1可见, 与K-sample相比, K-110* CK1和K-110-CK2处理下的残留物在3 431~3 458 cm-1处的吸收峰强度有所增加, 相反1 630/(2 920+2 852)比值降低。 可见, 添加木质素以及复合菌株接种均可与高岭石表面官能团形成氢键, 加强缔合— OH的伸缩振动吸收, 而在高岭石存在的液体培养条件, 木质素和复合菌株的引入均可使残留物中积聚更多的脂族碳结构、 芳香碳比例有所下降。 与高岭石相比, 其参与形成的残留物在1 450~1 468 cm-1处的吸收峰强度均有所下降, 1 630/(2 920+2 852)比值均高于K-110-CK1和K-110-CK2处理。 由此表明, 微生物在高岭石参与下利用木质素所形成的矿物-菌体残留物, 比单一微生物或木质素结合高岭石所形成的残留物拥有更大比例的芳香碳结构。

与K-sample相比, K-10处理下的矿物-菌体残留物, 在3 431~3 458 cm-1处吸收峰的强度有着较大程度提升, 而1 630/(2 920+2 852)比值以及在1 450~1 468, 1 100~1 103, 835~843, 739~748, 563~565和469~478 cm-1等6处吸收峰的强度均有不同程度降低。 将X— OH比作高岭石表面的羟基结构, 在液体培养条件可发生如下反应X— OH+H+→ X— O H2+, 在此过程水合基团含量增加, 而在初期富营养的培养条件, 高岭石能够迅速吸附微生物代谢的废物, 减轻代谢产物对微生物细胞的毒害[23]; 另外, 高岭石层间离子亦可作为微生物生长的必需元素[24], 增加微生物对木质素的利用率[25], 通常, 在初始培养阶段, 微生物可迅速繁衍, 使得高岭石表面Si— O和Si— O— Al的特征结构遭到掩蔽, 脂族结构比例有所增加, 在此阶段, 微生物表面高分子多糖具有多个含氧官能团, 可与高岭石表面的水化层在多个部位形成氢键[19], 增加了缔合— OH的伸缩振动。 与K-10处理相比, 30, 60和110 d培养所得矿物-菌体残留物FTIR中的1 630/(2 920+2 852)比值、 1 100 cm-1处吸收峰的强度均渐趋增加, 835~843, 739~748, 563~565和469~478 cm-1等4处吸收峰的强度均有不同程度增强, 而在3 440~3 458 cm-1处吸收峰振动频率则有所降低, 这表明: 在高岭石参与下, 微生物利用木质素所形成的矿物-菌体残留物, 其芳香碳结构比例和多糖类物质含量均随培养时间的增长而逐渐增加, 多糖类物质与矿物表面羟基相互作用, 使特征吸收峰强度减弱, 而后因培养液养分耗竭, 复合菌株对掩蔽在矿物表面的菌体残留物进行二次利用, 使原有高岭石Si— O— Al的结构重现、 吸收峰的强度再获提升。

2.2.2 蒙脱石参与形成矿物-菌体残留物的FTIR测试结果

如图4所示蒙脱石及其参与形成矿物-菌体残留物的红外光谱, 蒙脱石游离羟基的伸缩振动出现在3 622~3 624 cm-1, 呈尖锐的谱带, 层间H2O的伸缩振动出现在3 423~3 446 cm-1之间, 2 924和2 852 cm-1分别归属不对称脂肪族C— H伸缩振动以及对称脂肪族C— H伸缩振动, 1 641 cm-1处存在羧基官能团的C＝O伸缩振动[21], 1 448~1 464 cm-1归属脂族CH2, CH3基团中C— H的变形振动[26], 1 034 cm-1处吸收峰代表Si— O— Si和Si— O的晶格伸缩振动[21]或多糖结构中C— O的伸缩振动, MgAl— OH较强的吸收峰在796 cm-1处出现, 而519和467 cm-1两处吸收峰分别代表Fe— O— Si键和Mg— O— Si键的弯曲振动[21]。

表2是蒙脱石参与形成矿物-菌体残留物FTIR主要吸收峰相对强度的变化, 结合图4分析如下, 与M-sample相比, M-110-CK1和M-110-CK2处理在3 622~3 624, 3 423~3 446和795~797 cm-1处的伸缩振动频率均有所提高, 而在1 034~1 038和467~469 cm-1处的吸收峰以及

图4 蒙脱石参与形成矿物-菌体残留物的FTIRFig.4 FTIR of mineral-microbial residues

formed by montmorillonite

1 641/(2 924+2 852)比值均有所降低。 由此表明, 木质素以及复合菌株胞外聚合物均可与蒙脱石表面官能团形成氢键, 加强缔合— OH的伸缩振动吸收, 同时也提高了MgAl— OH键的振动频率, 由于菌体及木质素降解的残余成分被蒙脱石表面吸附, 使Si— O— Si, Si— O和Mg— O— Si键的振动频率遭到掩蔽而有所降低, 同时, 残留物中积聚了更多的脂族

碳结构, 使芳香碳比例有所下降。 由M-10至M-110处理, 随培养进行, 矿物-菌体残留物在1 034~1 038 cm-1处的吸收峰强度先增加而后下降, 3 622~3 624 cm-1处吸收峰强度渐趋增加, 均高于M-sample, 795~797 cm-1处吸收峰强度也有不同程度增高, 相反, 1 448~1 466和467~469 cm-1两处吸收峰强度均有所降低。 与10 d相比, M-30处理下矿物-菌体残留物中的多糖类物质增多, 使原本归属蒙脱石Si— O— Si 及Si— O结构的1 034~1 038 cm-1处吸收峰发生叠加、 强度先有所增加, 而后多糖化合物的羟基通过氢键和化学力作用与蒙脱石表面的金属氢氧化物作用, 而使1 034~1 038 cm-1处吸收峰强度减弱[27], 同时发生了氢键键合[19], 使3 622~3 624 cm-1处吸收峰强度增加。 可见, 氢键键合是蒙脱石催化微生物转化木质素、 最终形成矿物-菌体残留物的主要机制。 此外, 结合表1、 表2数据可知, K系列样品的1 630/(2 920+2 852)比值远高于M系列样品的1 641/(2 924+2 852) 比值, 可推断, 与蒙脱石相比, 高岭石参与形成的矿物-菌体残留物含有更多的芳香碳结构, 这说明: 蒙脱石较大的层间距可为微生物降解木质素提供更大空间, 而高岭石则可有效阻挡微生物对木质素的降解转化, 该机制使得高岭石在稳定有机碳方面的能力要高于蒙脱石, 更易促进HS前体物质的形成。

表1 高岭石参与形成矿物-菌体残留物FTIR主要吸收峰相对强度的变化 Table 1 The relative intensity change of FTIR main absorption peaks of mineral-microbial residues formed by kaolinite
表2 蒙脱石参与形成矿物-菌体残留物FTIR主要吸收峰相对强度的变化 Table 2 The relative intensity change of FTIR main absorption peaks of mineral-microbial residues formed by montmorillonite
3 结 论

(1)高岭石颗粒边缘多由管状体卷曲而成, 在参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后, 连片状细小颗粒结构进一步团聚, 结合更加紧凑, 短管状结构增多, 但整体仍保持多水高岭石的结构特征。 在初始富营养条件下, 高岭石能够促进微生物繁衍, 使大量菌体聚集在高岭石表面, 掩蔽Si— O和Si— O— Al键, 矿物-菌体残留物中脂族碳结构比例增加, 高分子多糖物质通过多个含氧官能团与高岭石表面的水化层在多个部位形成氢键。 随培养时间的增加, 其芳香碳结构比例和多糖类物质含量均逐渐增加, 而后因培养液养分耗竭, 复合菌株对掩蔽在矿物表面的菌体残留物进行二次利用, 使高岭石原有Si— O— Al的结构重现。 氢键的形成对于高岭石固持木质素及其降解产物具有重要作用, 更有利于稳定有机碳结构, 间接促进HS的形成;

(2)蒙脱石多由浑圆的颗粒结构组成, 在形成矿物-菌体残留物后, 微生物对其表面产生了溶蚀作用, 团粒结构易遭破碎, 外观呈碎片式结构、 较不规则。 30 d培养使得矿物-菌体残留物中的多糖类物质增多, 使原本归属蒙脱石Si— O— Si及Si— O结构的1 034~1 038 cm-1处吸收峰发生叠加, 强度有所增强, 而后多糖化合物的羟基通过氢键和化学力作用与蒙脱石表面的金属氢氧化物作用, 而使1 034~1 038 cm-1处吸收峰强度减弱, 同时发生了氢键键合, 使3 622~3 624 cm-1处吸收峰强度增加。 氢键键合是蒙脱石-微生物-木质素间相互作用、 形成矿物-菌体残留物的主要机制;

(3)高岭石在稳定有机碳方面的能力要高于蒙脱石, 更易促进HS前体物质的形成。

The authors have declared that no competing interests exist.

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