近年来微生物在环境^[1]、矿业^[2-3]等领域渐露头角。自然界中微生物种类众多，其中硅酸盐细菌能分解土壤中长石、石英、高岭石、云母等硅酸盐矿物，把不溶性硅等转变成可溶性的成分^[4]。与铝土矿作用的硅酸盐细菌通常包括B.circulans，B.mucilaginosus与B.edaphicun^[5]，它们与硅酸盐矿物作用的研究多集中在微生物代谢产物的酸解与絮凝、胞外聚合物的络合作用以及细菌与矿物的直接/间接作用等方面^[6-7]。连宾等认为矿物中硅的溶出主要是硅酸盐细菌的各种代谢产物对矿物的溶蚀作用以及多种生物化学因素的协同作用^[8-9]；而硅酸盐矿物结构对细菌作用的影响则较少受到关注。

硅酸盐矿物有着不同种类的结构，在与硅酸盐细菌作用时，方式、机理也有差异，溶硅、脱硅效果也不一样^[10-12]。铝土矿中的硅酸盐主要以高岭石(层状结构)、石英(架状结构)形式存在。为了解硅酸盐细菌在不同结构的硅酸盐中的生长规律和脱硅效率，选用一株硅酸盐细菌，考察实验条件下该菌种在高岭石、石英与铝土矿原矿等矿物环境下的生长代谢规律，通过检测发酵培养液中代谢产物种类与含量、SiO₂、pH值、细菌浓度以及分析细菌矿物相互作用后矿物的表面微观形态与结构的变化，了解硅酸盐矿物晶体结构对细菌生长活性、代谢能力及对矿物分解溶硅的影响，为铝土矿微生物脱硅提供有价值的实验依据。

1 实验材料与方法 1.1 材料

菌株：实验用硅酸盐细菌菌株JG-02筛选自江西高安铝土矿样, 经生理生化实验与16SrRNA鉴定属胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)。

矿样：高岭石、石英与铝土矿，其中高岭石与石英购买于中国地质博物馆，经XRD分析，纯度均在98%以上；铝土矿由河南中州铝土矿选矿厂提供，其物相组成(X射线衍射分析结果)为水铝石64.93%、方解石1.45%、高岭土12.54%、石英9.67%、伊利石5.73%、赤铁矿3.62%、其他2.06%。

培养基：1^#培养基(蔗糖5.0 g，Na₂HPO₄ 2.0 g，MgSO₄·7H₂O 0.5 g，NaCl 0.1 g，CaCO₃ 0.1 g，pH为7.2，去离子水1 000 mL)，其他培养基是在1^#培养基中分别加入5.0 g 200目的铝土矿(2^#)、石英(3^#)与高岭石(4^#)矿粉。

1.2 实验方法

1) 硅酸盐细菌的培养。取90 mL1^#培养基装入250 mL锥型瓶中，灭菌，接种实验菌株振荡培养3~5 d(28 ℃，200 r/min)制成种子液；分别用150 mL锥形瓶取50 mL1^#、2^#、3^#、4^#培养基，灭菌，接种细菌种子液(1×10⁶个/mL)振荡培养(28 ℃，200 r/min)；控制组接种相同量的灭活细菌种子液。

振荡培养0，1，2，3，4，7，9，10，12，15 d。分别测定各时间点发酵液中的细菌数(N)、SiO₂的含量、pH值，同时测定发酵培养10 d后溶液中有机酸、多糖的含量。

2) 有机酸的测定。取发酵液20 mL加12 mol/L的硫酸10 mL，搅拌后静置1 h，然后加入1 mol/L硫酸100 mL，低温搅拌30 min，离心，上清液于50 ℃真空浓缩至10 mL，然后用阳离子交换树脂柱以除去氨基酸。用0.03%H₃PO₄洗脱样品，洗脱液真空浓缩至5 mL，用HPLC法测定4种有机酸(草酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸)的含量^[13-14]。

3) 多糖的测定。发酵液用95%乙醇沉淀，离心(3 900 r/min，15 min)，收集多糖，50 ℃烘干，得粗荚膜多糖，称重^[15]；

浸出液中硅测定：硅钼蓝分光光度法。

矿样表面分析：细菌浸出15 d后，从发酵液中过滤取出矿样，用无菌蒸馏水洗去矿物表面可溶性离子后风干，用电镜与红外进行扫描观察与分析。

2 结果与讨论 2.1 细菌浸出试验

含有不同矿样的3种培养基中硅酸盐细菌生长曲线呈现相似趋势(图 1)，迟缓期、对数期与稳定期分别在0~2 d、2~7 d、7~12 d，然后进入衰亡期；与此同时，随着细菌数量的增长，培养液的pH逐渐下降，至细菌数量最多时达最低值，随后渐有回升。但对比图 1中的细菌数量、浸出液的pH值，会发现3种浸出液中因所加硅酸盐矿样的不同，培养基中细菌生长情况还是存在差异，进入稳定期时细菌数量最多的是含高岭石的4^#培养基，含石英的3^#培养基中细菌数量最少；对应的浸出培养液pH也呈现出类似的情况，含高岭石的4^#培养基中最低，含石英的培养液最高；含铝土矿的2^#培养液整体看与含高岭石的情形相差不大，应该与铝土矿中含有一定量的高岭石有关。

依据图 1培养液的pH曲线可知，在3种矿样培养体系中硅酸盐细菌生长过程中都会产酸，其中高岭石的体系产酸能力最强；在细菌生长的衰亡期，培养液的pH值都会上升，说明菌株在营养缺乏的情况下会利用自身的代谢产物作为营养物质，从而降低培养液的酸度。

3种含不同硅酸盐矿样的浸出培养液中二氧化硅含量的变化如图 2所示(为了解硅酸盐细菌在浸出过程中的作用，图中给出了3种培养液的控制组中的变化)：控制组的3个体系中的二氧化硅含量几乎保持不变，大约5 mg/L；实验组的3个体系中，随着振荡培养时间的增加，培养液中的二氧化硅含量逐渐上升，至极大值后渐渐下降。由此可见，培养液中的二氧化硅含量的增加应该是硅酸盐细菌作用的结果，且因培养液中3种矿样的结构差异导致细菌作用效果不一，高岭石的浸出效果最好，为40.8 mg/L，石英的浸出最难，为28.7 mg/L。分析表明该试验菌株对高岭土的溶硅作用最强，与石英作用最弱，至于振荡浸出后期二氧化硅的含量降低与细菌的胞外聚合物的絮凝作用有关。

2.2 矿样对细菌代谢产物的影响

发酵培养过程中培养液的黏度伴随细菌的增殖而快速增加(图 3)，说明振荡培养中菌株产生了大量的多糖类物质：高岭石体系的培养液粘度最大，硅酸盐菌株产多糖能力最强，其次为铝土矿，最后是石英。通过对比第10天的培养液中的粘度与多糖量，也可以证实此结论(表 1)。

硅酸盐细菌代谢产生的有机酸通常被认为是其能浸矿溶硅的因素之一^[3]。选取培养液pH最小时(第9天)测定培养液中的有机酸的含量(表 2)。结果显示，在不加矿物与加矿物的培养基中，试验菌株产有机酸的种类与含量有较大的差异：在不加矿物的1^#培养基中，菌株不产生柠檬酸，在含硅酸盐矿物的2^#、3^#、4^#培养基中，菌株能分泌柠檬酸；同时，不同的矿物环境对菌株产酸能力的影响也不一样，在高岭土环境中草酸、苹果酸含量最高，铝土矿中酒石酸、柠檬酸含量做多，而石英促进菌株产酸能力相对最弱。说明不同的矿物能改变硅酸盐细菌代谢并产生特定的有机酸。

2.3 浸出作用后矿样形态分析

对浸出前的矿样与振荡培养15 d后的矿样进行扫描电镜分析(图 4)，可以看出试验硅酸盐菌株对高岭石、铝土矿有较明显的浸溶作用，矿样颗粒的尖锐部分变得圆润，特别是缝隙、角落等不平滑的部位作用明显；但对石英表面的作用则不是很清晰。分析其原因可能是层状结构的高岭石相对于架状结构的石英来讲，层与层之间的结合程度不及Si-O键、Al-O键牢固，容易被细菌利用，形成浸溶/风化的突破口；铝土矿中除主要成分水铝石外，也存在一定比例的高岭石等容易被硅酸盐细菌分解的矿物。因此，对硅酸盐细菌来讲，不同结构的硅酸盐的利用效率是不一样的。这种推测与莫彬彬等^[16]研究相吻合：在相同条件下，对不同晶体结构的硅酸盐矿物，硅酸盐细菌存在着明确的风化序列，像高岭石、伊利石这样的层状结构较石英、钾长石等架状结构的容易风化，且在风化过程中有转换晶体结构的可能(譬如转化成石英等其他的硅酸盐矿物)。

换句话讲，硅酸盐细菌对硅酸盐矿物的分解作用，因其结构差异存在一定的选择性。由此可见，硅酸盐细菌在铝土矿的浸矿脱硅的过程中，首先是附着在矿物的表面，利用代谢产生的有机酸、多糖等与矿物进行酸化、螯合等作用寻找矿物中键合薄弱的地方：从形态上来看，通常为棱角、裂隙等表面积较大的地方；从结构来看，则主要是在不同矿物的结合处或结合较弱的地方。一旦解离发生，形成微小颗粒后，就利用多糖等聚合物包裹起来，便于分散^[16-19]。

同样从红外光谱(图 5、6)也可以发现石英、高岭石在细菌浸出前、后表面键合情况的变化。两图中浸出前、后的谱图都大致相似，但均可在浸出后的曲线1 350 cm^-1左右存在明显的吸收峰。故此，尽管在扫描电镜图中不能观察出石英上的细菌浸溶作用，图 5则可清晰的证明，石英在硅酸盐细菌作用后的表面存在化学键/官能团的变化，出现了一个明显的吸收峰，这应该是细菌代谢产物与石英表面螯合或发生化学变化引起的。同样，高岭土被细菌作用后也具有相似的变化。结果表明硅酸盐细菌对两种硅酸盐矿物均有酸化或配位的作用。也就是讲硅酸盐细菌浸矿脱硅过程中，细菌的代谢产物有机酸、多糖等是溶硅的主要因素。

3 结论

1) 试验硅酸盐菌株在3种不同培养环境中生长规律相似，但其细菌的数量以及产酸的能力因培养环境差异而不同：在含高岭石的环境中生长较好、细菌数量较多、产酸能力、产多糖的能力较强，而在含石英的环境中细菌数量较少、产酸与产多糖亦较弱。

2) 在生长过程中，试验菌株在硅酸盐矿物存在时，其代谢产物中出现了柠檬酸，且因硅酸盐矿物种类的不同，其产生的草酸、酒石酸、苹果酸与柠檬酸的含量不同；酸化作用是硅酸盐细菌浸矿脱硅的能力之一。

3) 红外光谱显示无论层状结构还是架状结构的硅酸盐矿物，试验菌株都可以与其表面发生作用，通过酸化、配位等从高岭石、石英以及铝土矿中释放一定量硅。其中对高岭石的作用最为明显，对石英的作用最弱。