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细菌在粘土矿物及土壤颗粒表面的吸附研究

蒋代华  
【摘要】:本文以高岭石、蒙脱石和针铁矿等粘粒矿物和红壤颗粒以及苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)和恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)为材料,在探明细菌数量与细菌细胞蛋白质含量相关关系,得出用蛋白质含量来表征矿物对细菌吸附量的基础上,采用等密度梯度分离试剂(Nycodenz),尝试了粘土矿物对细菌吸附测定的实验方法的建立;采用密度为1.31g ml-1蔗糖溶液与Nycodenz分离液进行了的分离效果对比实验,确定了土壤颗粒中砂粒和粉粒吸附细菌的实验条件;在此基础上探讨了矿物和土壤颗粒对细菌的等温吸附以及与吸附密切相关的因素对粘土矿物和土壤颗粒吸附细菌的影响等;并对各吸附等温曲线进行了Langmuir方程的拟合;基于粘土矿物和土壤颗粒以及细菌细胞表面物理化学参数如比表面、电荷零点、Zeta电位和水接触角等的实验测定结果,从物理化学的角度,根据DLVO等理论对粘土矿物和土壤颗粒吸附细菌的机理进行了初步分析。获得的主要结果如下: 1、首次尝试了长期以来困扰粘土矿物吸附细菌后的体系中游离态和吸附态的细菌细胞分离的难题。建立了粘土矿物吸附细菌的实验方法。在进行粘土矿物对细菌的吸附研究时,体系中细菌的数量以控制在12-15×108个细胞为佳,1.75-2.50mg ml-1为适宜的矿物浓度范围,经60 min左右吸附平衡后,即用60%(w/v)和3-5 ml的Nycodenz试剂分离游离态与吸附态的细菌细胞,矿物对细菌的吸附量用考马斯亮兰法测定的细菌细胞的蛋白质含量表示。 2、进行了密度为1.31 g ml-1蔗糖溶液与Nycodenz分离液作用效果的对比试验,确定了土壤颗粒中砂粒和粉粒吸附细菌的实验条件。结果表明,密度为1.31 g m1-1蔗糖溶液可以替代Nycodenz分离液;进行土壤颗粒吸附细菌实验时,砂粒和粉粒在吸附细菌体系中的适宜用量分别为60-120 mg ml-1和4.5-7.5 mg ml-1;吸附反应的平衡时间以45-60 min为宜。 3、首次在粘粒大小粒径的级别上,采用建立的粘土矿物吸附细菌的实验方法测定了高岭石、蒙脱石和针铁矿等土壤代表性粘土矿物对土壤常见的两种细菌(B.thuringiensis和P. putida)吸附等温曲线,以及环境条件如pH、离子强度和温度等、几种低分子有机酸和无机磷酸配体以及细菌生长期和活性对矿物吸附细菌的影响。结果表明,(1)高岭石、蒙脱石和针铁矿等对细菌的等温吸附符合Langmuir方程;针铁矿和高岭石的最大吸附细菌量大于蒙脱石;高岭石和蒙脱石对B. thuringiensis的吸附亲和力大于P. putida的,而针铁矿对P. putida的亲和力强于对B. thuringiensis的;(2)温度在15-25℃时,矿物吸附细菌达到最大吸附量;矿物对细菌的吸附随pH升高而降低,三种矿物的细菌吸附量下降顺序为:针铁矿高岭石蒙脱石;离子强度不同程度地促进粘土矿物对细菌的吸附,离子强度增加促进矿物的细菌吸附量的顺序为:对矿物而言,蒙脱石高岭石针铁矿,对细菌而言,P. putida B. thuringiensis;Mg2+比Na+促进效应更强;促进效应与体系的pH值有关,pH 7.0时大于pH 5.5时。(3)供试的几种配体除醋酸在pH 5.5时对高岭石和针铁矿吸附细菌有促进作用外,其它配体均表现出抑制作用;配体在低浓度阶段(0-10/20mmolL-1)显示出较大的抑制效率,高浓度阶段(20/50-80/200 mmolL-1)时抑制效率降低或趋于稳定。几种配体对矿物吸附细菌抑制率的大小顺序与矿物类型以及体系的pH相关;各配体对矿物吸附P. putida的抑制率均大于对B. thuringiensis的;(4)高岭石、蒙脱石和针铁矿对细菌对数期和死菌细胞的等温吸附均符合Langmuir方程。对数期与稳定期细菌相比,高岭石和蒙脱石的对数期B. thuringiensis的吸附量均为下降,而对P. putida来说,在pH 5.5时,高岭石和蒙脱石的对数期P. putida的最大吸附量略有增加,而在pH 7.0时的为降低;针铁矿的对数期细菌最大吸附量均为增加。高岭石和蒙脱石对细菌的死菌细胞的最大吸附量均为下降,而针铁矿的死菌细胞最大吸附量均为增加。两菌相比,高岭石和蒙脱石对P. putida死菌的最大吸附量下降较B. thuringiensis大,且对数期死菌的吸附下降比稳定期死菌的更大;而针铁矿的P. putida死菌的最大吸附量增加高于B. thuringiensis的。 4、率先分粒级系统测定了土壤颗粒对细菌的吸附等温线、环境条件如pH、离子强度和温度等、几种低分子有机酸和无机磷酸配体以及细菌生长期和活性对土壤颗粒吸附细菌的影响。结果表明,(1)土壤颗粒对细菌的吸附均符合Langmuir方程;各粒级土壤颗粒对细菌吸附量的大小顺序为:粘粒粉粒细砂粒粗砂粒,其中,粘粒是粉粒的3.7-4.9倍、细砂粒的44.3-89.2倍、粗砂粒的262-799倍,土壤颗粒中对B. thuringiensis和P. putida的最大与最小吸附量分别相差389和857倍;粒级相同的土壤颗粒均显示出对B. thuringiensis比P. putida较大的吸附亲力,去有机质土壤颗粒的细菌吸附亲和力强于含有机质颗粒的。(2)土壤颗粒吸附细菌的最适宜温度在15-25℃;土壤颗粒对细菌吸附随pH上升而下降,各粒级土壤颗粒的细菌吸附量下降顺序为:粗砂粒细砂粒粉粒粘粒,含有机质颗粒的去有机质颗粒的;土壤颗粒的P. putida吸附量下降大于B. thuringiensis的。离子强度对土壤颗粒吸附细菌有较大的促进效应,其中,Mg2+比Na+促进效应更强;离子强度对土壤颗粒的细菌吸附量增加顺序为:粗砂粒细砂粒粉粒粘粒,含有机质颗粒的大于去有机质颗粒的,其中,Mg2+对含有机质粗砂粒的P. putida吸附量增加最大,为10.7倍,增加最小的为去有机质粘粒的B. thuringiensis吸附量,仅为1.6倍;(3)供试的几种配体除了醋酸对土壤颗粒中的粘粒吸附细菌有一定的促进作用外,其它配体对土壤各粒级颗粒吸附细菌均产生抑制作用;配体对各粒级土壤颗粒的细菌吸附量降低顺序为:粘粒粉粒细砂粒粗砂粒,相同粒级中去有机质颗粒含有机质颗粒;配体浓度在较低范围(0-10/20 mmolL-1)时抑制率较大,浓度增加至较高之后(20/50 mmolL-1)抑制率降低或趋于稳定;不同配体种类的抑制率大小顺序基本相同。(4)土壤颗粒对对数期细菌以及死菌细胞的吸附等温线均符合Langmuir方程。对数期与稳定期细菌相比,各粒级颗粒对B. thuringiensis的吸附均为下降,对P. putida而言,砂粒表面的吸附略有增加,而粉粒和粘粒表面的吸附表现为小幅度下降。土壤颗粒对死菌的吸附均为下降,各粒级颗粒的死菌最大吸附量下降顺序为:粗砂粒细砂粒粉粒粘粒,同粒级颗粒则为含有机质颗粒的去有机质颗粒的;两菌相比,土壤颗粒对P. putida对数期死菌吸附量的降低幅度较稳定期死菌的大,而对B. thuringiensis则为稳定期死菌的下降幅度大于对数期死菌的。 综合分析认为,粘土矿物和土壤颗粒对细菌的吸附可以用DLVO理论解释。吸附主要受控于土壤矿物和颗粒以及细菌细胞表面的电荷、疏水性等表面物理化学性质,静电引力在吸附中起着关键作用。总之,土壤矿物和颗粒吸附细菌受两方面因素的制约,一方面,粘土矿物类型不同,表面性质各异;土壤颗粒粒级不同,矿物组成成分和性质存在较大差异;同时,土壤矿物和颗粒表面性质由于环境条件如温度、pH和离子强度等以及体系中存在的低分子有机和无机配体等的不同而改变,此外,土壤颗粒表面的性质与有机质存在与否有着密切的关系;另一方面,细菌细胞表面结构和性质因细菌种类的不同以及环境因素的改变而变化,同时,作为生命体的细菌粒子,生长时期以及活性等与其表面结构和性质息息相关。


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