全 文 ：收稿日期:2009-01-05
基金项目:国家自然科学基金项目(批准号:40773069);国家重点
基础研究发展计划 973项目(2006CB403202)
＊通讯作者 , E-mail:bin2368@vip.163.com
文章编号:1000-4734(2009)03-0387-06
一株岩生真菌对方解石的风化作用
窦传伟 1, 2 ,连宾 1＊
(1.中国科学院 地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室 ,贵州贵阳 550002;
2.中国科学院研究生院 ,北京 100039)
摘要:选用一株从碳酸盐岩表面分离的真菌 ,研究了实验条件下该真菌对方解石的风化作用 。通过检测风化培
养基与对照培养基的 pH值 、Ca2+浓度 、挥发性代谢产物以及分析真菌-矿物相互作用过程中的矿物表面微观形
态变化 ,研究该真菌对方解石的风化过程和作用机理 。结果表明:在实验条件下该真菌对方解石具有较强的风
化作用 ,风化培养基上清液中的 Ca2+浓度分别是死菌对照的 3.98倍和纯水对照的 13.73倍;该真菌生长过程
中会分泌有机酸和醇类等代谢产物 ,真菌和矿粉之间会形成菌体 -矿物聚集体或复合体 ,促进方解石的风化 。
分析认为该真菌对方解石的风化作用包括机械破坏 ,代谢产物溶蚀 、络合作用以及多种因素之间的协同作用 。
关键词:方解石;岩生真菌;风化作用;机理
中图分类号:P579;Q938.1　　文献标识码:A
作者简介:窦传伟 ,男 , 1983年生 ,硕士研究生 ,研究方向:生物地球化学 .E-mail:doucwei@163.com
　　微生物风化作用是指微生物通过新陈代谢产
物和分泌化学物质腐蚀岩石和矿物 ,或者通过氧
化还原作用导致岩石 、矿物发生变化或溶解 [ 1, 2] 。
矿物的微生物风化作用机理十分复杂 ,概括起来
主要有以下几个方面:(1)氧化还原作用 ,微生物
通过氧化或还原矿物中的元素(如 Fe、S、Mn等)
加速矿物的风化 [ 3] ;(2)酸溶作用 ,微生物分泌酸
性物质并通过化学反应来腐蚀岩石 [ 1-3] ,这些酸性
物质可以是 HNO3和 H2SO4 ,或者呼吸作用排泄
CO2形成的 H2CO3 , 也可以是各种有机酸 [ 4-5] ;
(3)络合作用 ,微生物生长代谢所分泌的有机络
合物 ,如水杨酸 、2, 3-二羟基苯甲酸等能对 Ca2+、
Fe3+和 Al3 +等进行鳌合 , 促进矿物的风化 [ 6-7] ;
(4)微生物对矿物进行风化作用时可以形成菌体-
矿物聚集体或复合体 ,通过化学溶蚀 、络合以及机
械破坏作用共同导致矿物风化 [ 8-9] 。目前对碳酸
盐岩微生物风化作用的研究较少 ,虽有一些学者
从理论和宏观角度对碳酸盐岩微生物风化作用进
行探讨 [ 10-13] ,但有关风化作用的细微过程和机理
仍不十分清楚 。本文选用一株岩生真菌 ,研究实
验条件下该真菌对方解石的风化作用 ,通过检测
风化培养液 pH值 、Ca2+浓度 、挥发性代谢产物以
及分析真菌-矿物相互作用过程中的表面微观形
态 ,尝试说明真菌对方解石的风化作用机制 。
1　实验材料和方法
1.1　矿物样品
本实验所用的样品采自贵阳市金阳的三叠纪
灰岩层的灰岩 。岩石呈乳白色 ,晶粒结构 ,块状构
造。样品粉碎至 200目备用。样品的全岩分析结
果见表 1, X射线衍射分析表明矿物组分方解石
达 99.32%,杂质矿物很少(白云石 0.51%,石英
0.17%),可视作方解石矿物样品。
表 1　灰岩的化学组成(wB/%)
Table1.Thechemicalcomposition(wB/%)oflimestone
MgO CaO P2O5 LIO
1.04 53.62 0.04 42.81
1.2　菌种
本研究所用真菌是一株生长于碳酸盐岩表面
的真菌(与其它生物类群混生)。采集碳酸盐岩
　
第 29卷　第 3期
2 0 0 9年 9 月
　
　　矿　物　学　报
　ACTAMINERALOGICASINICA
　
Vol.29, No.3
Sept., 2 0 0 9
DOI :10.16461/j.cnki.1000-4734.2009.03.010
表面的生物样品和半风化岩石混合物 ,保存于无
菌袋中带回实验室 ,挑取少量丝状物于马铃薯葡
萄糖琼脂(PDA)培养基平板上 , 28℃恒温培养箱
中培养 3 d,检查菌落出现情况;挑取与采样岩石
表面生物群落颜色一致的典型菌落在平板上划线
分离 ,重复 2 ～ 3次 ,直至该菌株为纯种。
该真菌是一种典型的岩生真菌 ,适宜在碳酸
盐岩表面生长 ,菌丝呈橙黄色;该真菌纯化后显示
菌落中心桔红色 ,周围菌丝淡黄色 ,絮状。详细叙
述见文献 [ 13] 。图 1是该真菌在显微镜下的照
片 ,可见菌丝结构特征是:菌丝体纤细 ,较发达 ,有
隔膜 ,每个细胞中常含多个细胞核 ,未见产孢结
构 ,不能确定其繁殖方式。
图 1　实验用真菌的菌丝体形态
Fig.1.Themicrophotographofthemorphology
ofthefungi.
1.3　种子液制备
种子液制备:在 250 mL三角瓶中 ,加入 100
mL培养液(培养基成分:葡萄糖 20 g、K2HPO4 1
g、NaNO3 2 g、MgSO4 0.5 g、FeSO4· 7H2O0.01 g、
KCl0.5g,蒸馏水 1L,调整 pH约为 7.0),灭菌后
接入少量活化后的菌丝体 ,置恒温摇床 (28 ℃,
120r/min)培养 3d备用。
1.4　对照及发酵液制备
纯水对照:在 50 mL三角瓶中加入 20mL去
离子水及矿粉 0.5 g, 121 ℃灭菌 20 min,冷却后 ,
无菌操作加入 1mL灭菌的去离子水 。
死菌对照:在 50mL三角瓶中加入 20 mL风
化培养基(培养基成分与种子液制备所用的培养
基相同)及矿粉 0.5 g, 121 ℃灭菌 20 min,冷却
后 ,无菌操作接入灭活种子液 1 mL。
无矿粉对照:在 50 mL三角瓶中加入 20 mL
风化培养基 , 121 ℃灭菌 20 min,冷却后 ,无菌操
作接入灭活种子液 1 mL。
活菌发酵处理:在 50 mL三角瓶中 , 加入
20mL风化培养基及矿粉 0.5 g, 121 ℃灭菌 20
min,无菌操作接入种子液 1mL。
各种对照和活菌发酵处理均设置三个重复 ,
置恒温摇床(28℃, 120r/min)培养。
1.5　取样及分析
1.5.1　发酵液挥发性代谢产物分析
于 48 h分别取无矿粉对照和活菌发酵处理
的上清夜 5 mL, 5000 r/min离心(ANKETDL-5-
A)20 min,用针头过滤器(滤膜孔径 0.45 μm)过
滤 ,用 GC-MS(色谱柱为 HP-5MS,柱温 50 ℃,保
持 2min,以 5 ℃/min升温至 300 ℃,保持 2min;
载气为高纯 He,流量 1.0 mL/min;进样量 1 μL,
分流比 20∶1)测其挥发性代谢产物。
1.5.2　pH值和 Ca2 +浓度测定
分别于 8、16、24、32、40、48和 56 h取出纯水
对照 、死菌对照和活菌发酵处理的样品瓶(取 3个
平行样 ,取样方式为分别取样 ,下次取样重新从摇
床中取三个样品瓶),取上清夜 5 mL, 5000 r/min
离心(ANKETDL-5-A)20 min,用针头过滤器(滤
膜孔径 0.45 μm)过滤 ,测定其 pH值(上海大普
PHS-3C, 精度:±0.01), 用原子吸收光谱仪
(AAS, PE-5100)测定其 Ca2+浓度 。
1.5.3　电子探针分析
分别于 48 h和 96 h取活菌发酵处理的样品
瓶中的菌体和矿物残渣的混合物 ,用蒸馏水洗去
表面的可溶性离子后风干 ,风干后的样品粉末分
散在导电胶上 ,在表面喷镀导电碳膜 ,最后用电子
探针(日本岛津 EPMA-1600型电子探针 , 25 kV,
0.25 nA,扫描二次电子成像)进行观察和分析 。
2　结果与讨论
2.1　发酵液挥发性代谢产物分析
在 48 h分别取未加矿粉和加矿粉的真菌风
化培养基上清液进行 GC-MS分析 ,结果见表 2。
可以看出 ,此真菌在代谢过程中产生的挥发性代
谢产物主要包括醇类和有机酸 2大类。其中乙酸
388 矿　物　学　报 2009年
和丙三醇是两者共有的挥发性代谢产物 ,不同的
是未加矿粉的真菌培养基上清液中还有乙醇 、丁
二醇 、油酸等 ,而加了矿粉的真菌培养基上清液中
则含有棕榈酸 ,造成这种差别的原因可能是:矿粉
的加入引起了微生物生长环境的变化 ,导致了代
谢活动产生差异 。
表 2　真菌培养基上清液挥发性组分
Table2.MVOCsofthefungigrowingmedium
组分 分子式 wB/%未加石灰岩 加石灰岩
乙醇 C2H6O 5.90
乙酸 C2H4O2 21.44 5.70
2, 3-丁二醇 C4H10O2 7.20
(2S, 3S)-(+)-2, 3-丁二醇 C4H10O2 3.53
丙三醇 C3H8O3 3.35 21.69
油酸 C18H34O2 5.74
棕榈酸 C16H32O2 17.69
有机酸是微生物代谢活动的重要产物之一 ,
对矿物特别是碳酸盐矿物具有很强的溶蚀作
用 [ 14] ,是微生物风化矿物的一个重要机制 。黄黎
英等[ 15]在六种低分子量有机酸(草酸 、柠檬酸 、甲
酸 、乙酸 、乳酸 、丙酮酸)对石灰岩溶蚀作用的室
内模拟试验中发现乳酸和乙酸对石灰岩溶蚀作用
最强 ,浓度均为 0.25 mmol/L时乳酸 、乙酸 、柠檬
酸的溶蚀力大于盐酸 ,而 GC-MS分析结果表明 ,
该菌代谢过程产生较大比例的乙酸 ,可能对方解
石的风化起了重要的促进作用 。
2.2　培养基上清液 pH值及 Ca2+浓度变化
风化培养基上清液 pH值和 Ca2+浓度分析结
果列于表 3。在培养过程中活菌发酵的风化培养
基上清液的 Ca2+浓度随时间变化而变化 , ρ
(Ca2 +)变化幅度(75.6 ～ 225.1mg/L)较大 ,而纯
水对照的培养基上清液 Ca2+浓度变化幅度(10.8
～ 16.4mg/L)和死菌对照的培养基上清液 Ca2+
浓度变化幅度(39.3 ～ 56.3 mg/L)均较小。在真
菌的作用下矿粉向液相中释放的 Ca2+量与两组
对照相比均有大幅度增加 ,活菌发酵处理的培养
基上清液 Ca2+浓度最高为 225.1 mg/L,分别是死
菌对照和纯水对照处理培养基上清液最高 Ca2+
浓度的 3.98倍和 13.73倍。
表 3　培养基上清液 pH值和 Ca2+浓度
Table3.ThepHandCa2+concentrationsofsupernatant
取样时间 /h 活菌发酵 纯水对照 死菌对照pH ρ(Ca2+)/(mg/L) pH ρ(Ca2+)/(mg/L) pH ρ(Ca2+)/(mg/L)
8 7.20 109.4 8.54 16.4 7.45 56.5
16 6.99 107.5 8.50 11.7 7.37 45.9
24 6.77 225.1 8.53 10.8 7.51 47.7
32 7.03 156.3 8.54 11.5 7.60 39.3
40 7.20 120.6 8.59 11.6 7.42 44.1
48 7.61 90.6 8.55 10.9 7.52 39.6
56 7.77 75.6 8.57 12.9 7.35 46.9
　　与真菌相比纯水和培养基对方解石的风化作
用非常微弱 ,方解石在纯水或培养基中达到溶解
平衡后 ,风化作用基本停止;而在真菌作用下 ,由
于真菌生长和代谢产物不断产生 ,平衡被打破 ,矿
物被不断风化 ,使 Ca2+释放到培养基中 , 部分
Ca2+还被真菌直接吸收利用 ,促进风化作用持续
进行。活菌发酵处理的培养基上清液中 Ca2+浓
度在风化后期出现明显下降(图 2),造成这种现
象的原因可能是:前期真菌生长旺盛 , 风化作用
强 ,而后期菌体衰老死亡 ,风化作用弱;此外 ,菌体
及产生的大分子物质对 Ca2+的有吸附和鳌合作
用 ,这也是造成培养基上清液 Ca2+浓度下降的原
因[ 6, 16]之一。
真菌风化石灰岩过程中风化培养基上清液的
pH先下降后上升 ,而 Ca2+浓度先上升后下降 ,培
养基上清液的 pH值和 Ca2+浓度呈现了相反的变
化趋势 ,具有一定的相关关系但不是线性相关 ,由
此推测酸溶是导致方解石风化的重要因素之一。
分析结果表明该真菌的代谢过程中产生一定量乙
酸 、棕榈酸等(表 2),乙酸对方解石具有很强的溶
蚀作用 , 同时微生物呼吸作用也会产生大量的
CO2生成 H2CO3。由此推测有机酸和 H2CO3共
同导致了方解石的酸溶作用 ,当然不能排除还有
其它的风化作用因素如酶作用的存在 [ 13] 。
389第 3期 窦传伟 ,等.一株岩生真菌对方解石的风化作用
图 3　真菌和石灰岩颗粒作用后的电子探针图(A为作用 48h后的真菌和矿粉 ,
B为图 A方框所示位置的放大图 , C和 D为作用 96 h后的真菌和矿粉)
Fig.3.EMPAmicrographsoffungiandlimestonepowderafterincubation.
图 2　培养基上清液 Ca2+浓度随时间的变化特征
Fig.2.ThevariationofCa2+concentrationsof
thesupernatantwithtime.
2.3　真菌-矿物相互作用过程中的表面微观形态
分析
　　对活菌发酵处理后的真菌和矿粉进行电子探
针分析 ,分析结果见图 3。真菌与矿物相互作用
过程中 ,真菌菌丝对矿物颗粒有粘合 、包裹作用 ,
而且这种作用随着真菌的生长越来越强。真菌与
矿粉相互作用 48 h后 ,矿物颗粒开始在菌丝表面
聚集(图 3A和图 3B),大量矿物颗粒粘合在真菌
菌丝上;作用 96 h后 ,菌丝和分泌物逐渐增多 ,矿
物颗粒大部分被真菌菌丝包裹 ,形成菌体 -矿物聚
集体或复合体(图 3C和图 3D)。
　　真菌对矿物颗粒的机械破坏作用也是真菌风
化矿物的一个重要途径。真菌的菌丝可以通过矿
物的解理面伸入矿物的内部获取营养 ,真菌菌丝
体生长所产生的伸长压力可以使矿物颗粒破碎 ,
变的更细小 ,增大风化面积 ,使风化反应更容易进
行[ 9, 17] 。另一方面 ,菌体 -矿物聚集体或复合体可
以使真菌及其代谢产物与矿物颗粒充分接触 ,增
大反应面积 ,这在一定程度上促进了真菌对矿物
的化学风化。 Lian等 [ 9] 在研究烟曲霉对钾长石
的风化作用时发现真菌与矿粉直接作用时所释放
的 K+浓度是间接作用(矿粉与真菌用滤膜隔开)
释放 K+浓度的 3倍 ,说明真菌在生长过程中对矿
物的机械破坏作用是促进矿物风化的重要原因 ,
机械破坏作用的结果也有利于化学风化的进行。
在该真菌生长过程中 ,菌丝通过粘合 、包裹等作用
将矿物颗粒汇集于其表面或将矿粉完全包裹 ,在
此过程中化学溶蚀和机械破坏作用协同进行 ,导
致矿物颗粒的风化和溶蚀。
390 矿　物　学　报 2009年
3　结　论
综上所述 ,真菌与方解石的作用过程包括一
系列复杂的生物化学和生物物理过程 。从本文研
究结果和分析可以得出以下结论:
(1)试验条件下该真菌对方解石具有较强风
化作用 ,可以显著提高 Ca2+溶出量 ,说明岩生真
菌在碳酸盐岩风化过程中起重要作用 。
(2)在该真菌风化方解石过程中 ,真菌代谢
产生有机酸 、醇等挥发性代谢产物;代谢产酸是造
成矿物风化的重要原因 ,包括有机酸和呼吸作用
产生 CO2所形成的 H2CO3等 。
(3)在风化过程中 ,真菌菌丝和矿粉会形成
菌体 -矿物聚集体或复合体 ,真菌菌丝对矿物进行
机械磨蚀和崩解 ,矿物颗粒变细变小 ,从而增大了
作用面积 ,有利于代谢产物的化学风化作用 。真
菌生长所导致的物理风化和化学风化作用相互促
进 ,协同作用 ,使方解石颗粒得以被风化和溶蚀。
致谢:感谢贵州大学生命科学学院丁丽君硕士在样品采
集和菌种分离方面所提供的帮助!
参　考　文　献:
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391第 3期 窦传伟 ,等.一株岩生真菌对方解石的风化作用
MicrobialWeatheringofCalcitebyRock-InhabitingFungi
DOUChuan-wei1, 2 , LIANBin1
(1.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry, InstituteofGeochemistry, ChineseAcademyofSciences, Guiyang550002, China;
2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing100039, China)
Abstract:Astrainoffungiisolatedfromthesurfaceofcarbonaterockwaschosentocaryoutastudyonthemicrobial
weatheringofcalciteunderexperimentalconditions.Wehavestudiedtheweatheringprogresandmechanismby
measuringpH, theconcentrationsofCa2+andmicrobialvolatileorganiccompoundsintheweatheringmediumand
controlmedium, andanalyzedthemorphologicchangesonmineralsurfaceintheprocessoffungus-mineralinterac-
tions.Theresultsshowedthatthefungicanweathercalciteefectivelyunderexperimentalconditions, theCa2+con-
centrationsofsupernatantoftheweatheringmediumare3.98 and13.73 timeshigh, respectivelyascomparedwith
deadfungicontrolanddeionizedwatercontrolgroups;Itcanproducemetabolitessuchasorganicacidsandalcohols
withthegrowthoffungi, andformthemycelium-mineralcomplexoraggregatebetweenfungiandmineralpowder.
Basedonourexperimentalresults, itisconcludedthattherockfungicanweathercalciteatthemechanicalbreakage
ofthemyceliumgrowth, thecorosionandcomplexationofmetabolismproductionandtheintegratedoperationof
manyfactors.
Keywords:calcite;rock-inhabitingfungi;weathering;mechanism
392 矿　物　学　报 2009年