全 文 ：矿物岩石地球化学通报
·专题研究· Bu lletin of Mineralogy , Petrology and Geochemis try
Vol.29 No.1 , Jan.2010
收稿日期:2009-11-22 , 12-10改回
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40773069);国家重点基础研究发展计划 973项目(2006CB 403202)
第一作者简介:窦传伟(1983—),男 ,硕士 ,研究方向:微生物地球化学.
通讯作者:连宾 ,研究员.E-m ail:bin2368@vip.163.com .
一株岩生真菌对白云岩中
稀土元素溶出 、迁移和富集影响的研究
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 ,贵阳 550002;
2.中国科学院 研究生院 , 北京 100049
摘　要:选用一株从碳酸盐岩表面分离的真菌 ,研究了实验条件下岩生真菌对白云岩中稀土元素的溶出 、迁移和富集作用过
程。通过分析不同培养时间真菌培养液上清液及菌丝体稀土元素浓度和组成特征 ,研究了真菌生命活动对稀土元素行为的
影响 ,探讨了微生物影响稀土元素行为的机制 。结果表明 ,该株真菌对白云岩中稀土元素的溶出 、迁移和富集有一定的作用 ,
真菌的活动可以提高稀土元素溶出量 ,使 Ce 相对活化 ,对 Eu 则有抑制作用 , 培养液上清液和真菌菌丝体均具富 Ce 贫 Eu 的
特征;真菌生长产生的酸性环境 、氧化还原作用 、代谢产物的络合作用 , 以及真菌菌丝体的直接吸收和吸附作用 , 是该株真菌
影响稀土元素行为的主要机制。
关　键　词:岩生真菌;稀土元素;白云岩;作用机制
中图分类号:P593　　文献标识码:A　　文章编号:1007-2802(2010)01-0057-06
Role of Rock-inhabiting Fungi in Dissolution , Migration and
Concentration of Rare Earth Elements in Dolomite
DOU Chuan-wei1 , 2 , LIAN Bin1
1.State Key Laboratory o f Env ironmental Geochemistry , Institute o f Geochemistry Chinese Academy o f Sciences ,
Guiyang 550002 , China;2.Grad uate Uni versity o f Chinese Academy o f Sciences , Bei jing 100039 , China
Abstract:A st rain of fungi was i solated f rom the surface of carbonate rock , and the role of t he rock-inhabiting fungi
in dissolution , migration and concent ration of rare earth elements in dolomite was studied under cont rolled experi-
mental conditions.The effect of microbial activities on the behavior of rare earth element s and the microbial mecha-
nism that affect the behavior of rare earth element s were inves tigated by analyzing concentration and composition of
culture supernatant and mycelia with dif ferent cult ure time.The results showed that t he fungi had played a positive
role in dissolution , migration and concent ration of rare earth elements in dolomite , t he activi ties of f ungi increased
leaching of rare earth elements , Ce w as activated by the fungi , while Eu was rest rained , the broth culture superna-
tant and mycelia both had the features of Ce-rich and Eu-depleted.Acidic Environment resulted f rom the grow th of
fungi , oxidation-reduction , complexation of metabolit es and the direct absorption and adsorption by fungi w ere the
key mechanisms for fungi t o af fect behaviors of rare earth elements.
Key words:rock-inhabiting fungi;REE;dolomite;mechanism
　　岩生微生物是指在岩石裂隙和岩石表面生长的
微生物 ,它们利用岩石表面和内部的小环境得以生
存 ,有些种类能产生有机酸和螯合物 ,是促进矿物和
岩石风化的重要因素之一[ 1 , 2] 。岩生真菌是岩石微
生物的重要组成部分 ,广泛存在于各种火成岩和沉
积岩的表面和裂隙中 ,与细菌 、地衣和藻类一起推动
对矿物和岩石的生物风化[ 3 ～ 6] 。
稀土元素具有非常接近的离子半径和非常相似
的化学性状 ,但它们之间的离子结构 、元素价态等化
学性质仍有一定差异 ,导致其在外界条件发生改变
时相互之间会产生有规律的分异。风化过程中稀土
元素行为的研究在国内外已有许多报道[ 7 ～ 10] ,这些
研究表明氧化还原条件 、pH 值 、水化学性质 、气候
条件 ,以及无机和有机配合体的数量与微生物活动
等都是影响稀土元素行为的主要因素。近年来的研
究表明 ,微生物活动对风化过程中稀土元素行为有
很大影响 ,微生物和地球化学因素共同控制着岩石
风化和土壤形成过程中的稀土元素行为[ 8 , 10 , 11] 。
因为微生物不但可以通过其代谢产物改变风化介
质的 pH 值和氧化还原条件 ,而且能与稀土元素直
接络合 ,甚至通过微生物直接吸附和吸收稀土元
素 ,从而影响风化壳中稀土元素的活化迁移和分
异[ 11 ～ 15] 。
目前 ,微生物和有机质对稀土元素的作用已经
开始引起研究者的重视 ,取得的认识和结论也被应
用于解释风化壳中的稀土元素组成特征[ 9 ～ 11 , 16] ,但
有关微生物活动对稀土元素行为影响的作用机制尚
不清楚。本文选用一株岩生真菌 ,研究实验条件下
风化过程中真菌对白云岩稀土元素的溶出 、迁移和
富集作用 ,通过发酵液上清液及菌体稀土元素浓度
和组成变化特征 ,分析微生物活动对稀土元素行为
的影响 ,探讨微生物影响稀土元素行为的作用机制。
1　材料及方法
1.1　白云岩来源及特征
白云岩采自贵州省贵阳市三叠系地层 。岩石呈
浅灰色 ,风化后呈浅红褐色 ,细—粗晶结构 ,块状构
造 ,根据 X射线衍射和矿物组分(XRD)分析矿物成
分主要为白云石(约占 96.36%), 含少量方解石
(3.00%)和蒙脱石 (0.63%)。全岩化 学分析
(XRF)结果见表 1 。样品粉碎至 200目后备用。
表 1　试验岩样的化学成分
Table 1　The chemical compositions of rock samples %
试验岩样 Al2O 3 Fe2O 3 MgO CaO Na2O K 2O P2OV 5 TiO 2 LOI
白云岩 0.19 0.36 21.61 32.97 0.04 0.07 0.02 0.01 47.29
1.2　菌种和种子液制备
实验所用真菌是一株生长于碳酸盐岩表面的真
菌。采集半风化碳酸盐岩断块 ,保存于无菌袋中 ,在
实验室进行分离和纯化。选取其中 1株生长较好的
真菌 ,采用 ITS 序列分子鉴定 ,表明它属于座壳孢
属(Aschersonia)中的一个种 。以此作为后续实验
所用真菌 。
在 250 mL 三角瓶中 ,加入 100mL 培养基(葡
萄糖 20 g 、K 2HPO 4 1 g 、NaNO 3 2 g 、MgSO 4 0.5 g 、
FeSO 4 ·7H2O 0.01 g 、KCl 0.5 g ,蒸馏水 1 L , pH
值为 7.0),灭菌后接入少量活化后的菌丝体 ,置恒
温摇床(28℃,120 r/min)培养 3 d后作为种子液备
用。
1.3　培养液制备
活菌发酵:在 250 mL 三角瓶中 ,加入 100 mL
培养基 ,用滤膜(滤膜孔径 0.30 μm)包裹的矿粉 2
g ,121℃灭菌 20 min 。冷却后无菌操作接入事先准
备好的真菌种子液 1 mL。
K2HPO 4 浸泡液对照:在 250 mL 三角瓶中加
入100 mL浸泡液(向 1000 mL 水中加入K 2HPO 4 1
g ,调整 pH 至 7.0)及矿粉 2 g , 121℃灭菌 20 min。
将上述所有样品置入 28℃培养箱。每种处理
均设置 3个重复 ,实验结果取 3个重复的平均值 。
1.4　取样及分析
每间隔 2 d取出相应样品瓶(活菌发酵分别于
第 2 、4 、6 、8 、10 、12和14 d取样 ,浸泡液对照于第 14
d取样)。培养液先用定性滤纸过滤 ,矿粉和菌体用
少量去离子水迅速冲洗几次 ,将所有滤液和冲洗液
移至 100 mL 容量瓶 , 定容 , 5000 r/min 离心
(ANK E TDL-5-A)20 min ,用针头过滤器(滤膜孔
径 0.45μm)过滤 ,备用;收集真菌菌体 ,用少量去离
子水迅速冲洗几次 ,置于 100℃烘箱中烘 24 h ,烘干
后用电子天平称重(精度±0.0001 g),将菌体样品
磨成 80目的粉末 ,备用 。
(1)上清液 pH 值测定:取少量滤液用 pH 计
(上海大普 PHS-3C ,精度:±0.01)测定 pH 值 。
(2)稀土元素分析:分别取滤液 50 mL 和一定
量的菌体粉末于石英坩埚中 ,在马弗炉内 550℃下
保持 3 h 完全灰化(滤液蒸干后再灰化);灰化后的
残渣用 HClO 4 和 HNO 3 消解完全 , 再用 5%的
HNO 3 定容到10 mL。分别向菌体消解液和培养液
消解液 ,加入 1 mL 内标;采用共沉淀法分离富集溶
58 窦传伟等/一株岩生真菌对白云岩中稀土元素溶出 、迁移和富集影响的研究
液中稀土元素;用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-
MS ,Finnigan MAT 公司 ELEMEN T 型)测定稀土
元素含量 。
2　结果与讨论
2.1　培养液上清液 pH 值变化特征
真菌培养液上清液 pH 值发生了有规律的变化
(图 1),呈现先下降后上升的趋势(6.13 ※4.21 ※
5.34)。这是因为真菌在代谢过程中会大量产酸 ,这
些酸可以是无机酸 ,也可以是乙酸 、草酸 、柠檬酸等
有机酸[ 17 ～ 19] 。一开始真菌代谢旺盛 ,产酸的速率大
于风化矿物消耗的速率 ,出现了酸的积累 ,导致 pH
值下降;而随着培养时间的延长 ,代谢活动大为减
弱 ,培养液中积累的酸逐渐被矿物风化消耗 ,使 pH
值逐渐升高。
2.2　培养液上清液和菌体的稀土元素含量
由于矿粉被滤膜包裹 ,真菌与白云岩以间接作
用的方式进行 ,试验设置了K 2HPO 4对照 ,分别测
图 1　不同培养时间培养液上清液 pH 值的变化
Fig.1　pH values of supernatants
at the diffe rent culture time
定 K 2HPO4 浸泡液 、培养液上清液和真菌菌丝体的
稀土元素含量 ,K 2HPO 4 浸泡液(对照)和培养液上
清液稀土元素含量分析结果见表 2 ,真菌菌丝体的
稀土元素含量分析结果见表 3 。
表 2　培养液上清液及 K2HPO4 对照溶液中稀土元素的量
Table2　The contents of rare-earth elements in the culture supernatants and the control solution K2HPO4
时间/ d 2 4 6 8 10 12 14 对　照
La 2339.26 1983.72 1809.44 1159.94 1270.45 873.75 403.13 817.50
Ce 25.28 104.16 387.90 273.14 236.56 222.86 21.94 5.17
P r 1.14 0.34 2.23 0.98 1.16 0.80 1.06 0.30
Nd 6.10 13.93 9.15 9.41 9.45 32.13 8.56 2.25
Sm 0.83 0.52 5.28 1.10 1.45 1.30 1.60 0.49
Eu 0.37 0.09 2.11 0.52 0.83 0.61 0.76 0.39
Gd 2.66 2.70 6.19 8.95 9.58 7.38 2.81 1.68
Tb 0.16 0.13 0.35 0.40 0.43 0.54 0.35 0.09
Dy 0.76 0.55 1.99 1.31 1.40 1.57 1.93 0.42
H o 0.17 0.10 0.39 0.33 0.33 0.41 0.45 0.10
E r 0.79 1.93 1.21 1.30 1.17 13.51 1.69 0.36
Tm 0.07 0.05 0.29 0.17 0.18 0.19 0.21 0.05
Yb 0.39 0.26 1.66 1.09 1.10 1.28 1.52 0.28
Lu 0.08 0.06 0.15 0.25 0.23 0.26 0.24 0.05
΢REE 2378.04 2108.54 2228.34 1458.91 1534.32 1156.59 446.25 829.12
΢REE-La 38.78 124.82 418.90 298.97 263.88 282.84 43.12 11.63
δCe 0.12 0.97 1.47 1.95 1.48 2.02 0.26 0.08
δEu 0.76 0.23 1.13 0.51 0.68 0.60 1.10 1.32
　　注:稀土元素的量为样品瓶中培养液上清液及对照浸泡液(将样品瓶中培养液或对照浸泡液定容至 100 m L)中所含的稀土元素的总量
　　从表 2可以看出培养液上清液中稀土元素有如
下特点:1)La和 Ce是含量最多的稀土元素 ,占稀土
总量的 90%以上 ,其他稀土元素的含量比 La 和 Ce
都少得多;2)La的含量随时间的变化趋势与其他稀
土元素不同 。培养液上清液中 La 的浓度不断下
降 ,而其他稀土元素基本上都是先增后减;3)与
K 2HPO 4 浸泡液浸出的稀土元素相比 ,培养液上清
液中稀土元素δCe 值较大 、δEu值较小(K 2HPO 4 浸
泡液浸出的稀土元素δCe =0.08 、δEu=1.32 ,而培
养液上清液中稀土元素δCe 值为 0.12 ～ 2.02 ,δEu
59矿物岩石地球化学通报
值为 0.51 ～ 1.10);4)除 La 外 ,培养液上清液中其
他稀土元素的浓度普遍高于 K 2HPO 4 浸泡液 。
表 3　真菌菌丝体中稀土元素的量
Table 3　The content(ng)of rare-earth elements
in fungal mycelia
时间/ d 2 4 6 8 10 12 14
La 30.65 17.93 16.95 20.21 21.66 18.23 18.79
Ce 4.03 33.98 84.09 227.08 78.20 111.92 12.96
Pr 0.08 0.14 0.19 0.58 0.40 0.28 0.30
Nd 1.44 3.14 0.93 3.16 2.05 11.60 1.45
Sm 0.22 0.18 0.15 0.63 0.43 0.26 0.26
Eu 0.08 0.09 0.05 0.18 0.12 0.09 0.06
Gd 0.43 0.72 1.34 3.58 1.51 1.68 0.38
Tb 0.04 0.05 0.05 0.17 0.09 0.09 0.04
Dy 0.21 0.15 0.14 0.65 0.39 0.25 0.21
Ho 0.04 0.03 0.03 0.14 0.08 0.06 0.05
Er 0.15 0.45 0.12 0.47 0.25 1.30 0.18
Tm 0.01 0.01 0.01 0.05 0.03 0.02 0.01
Yb 0.09 0.05 0.07 0.30 0.17 0.10 0.11
Lu 0.02 0.01 0.01 0.04 0.02 0.02 0.02
΢REE 37.49 56.93 104.11 257.25 105.41 145.89 34.83
΢REE-La 6.84 39.00 87.16 237.04 83.75 127.66 16.03
δCe 0.62 5.14 11.36 15.90 6.39 12.02 1.32
δEu 0.80 0.78 0.33 0.36 0.45 0.40 0.58
　　注:真菌菌丝体中稀土元素的量为样品瓶中真菌菌丝体中所含
的稀土元素的总量
　　从表 3可见 ,真菌菌丝体中的稀土元素有两个
特点:1)La和 Ce含量最高 ,占稀土总量的 90%以
上 ,其他稀土元素的含量都很低;΢REE先增大后减
小。2)菌丝体中 δCe 值变化幅度很大(0.62 ～
15.90),具有很高的δCe 值和相对较低的 δEu 值
(0.33 ～ 0.80),富 Ce贫 Eu。
培养液上清液和菌丝体中的稀土元素的组成特
征既有相同也有区别。相同的特征是:1)La 和 Ce
含量最高 ,占稀土总量的 90%以上 ,其他稀土元素
含量都很低;2)与 K2HPO 4 浸泡液相比都有高的
δCe 值 、低的δEu 值 ,呈现富 Ce 贫 Eu 的特征 。不
同点主要是:1)培养液上清液 La 的含量大于 Ce ,
而菌丝体中 La 的含量小于 Ce(第 2 d 除外);2)培
养液上清液的 δEu 变化规律不明显 ,而菌丝体中
δEu变化有一定的规律 ,δEu先降后升 。
2.3　培养液上清液和菌丝体稀土元素组成和变化
特征
培养液上清液中稀土元素 La 的含量很高 ,且
与其他稀土元素的变化趋势不同 ,其原因尚不明 ,可
能与培养基中含有的大量阴离子(如 SO 2-4 、HPO 2-4
等)及矿物溶解产生的 HCO -3 有关 。菌丝体中 La
的含量小于 Ce(第 2 d除外),且与其他稀土元素保
持基本一致的变化趋势。鉴于以上原因 ,我们在讨
论发酵液上清液中稀土元素总量变化特征时以
΢REE-La(除 La 以外的稀土元素的总量)为指标 ,
而在讨论真菌菌丝体中稀土元素的总量时仍以
΢REE 为指标。
培养液上清液 ΢REE -La 和真菌菌丝体的
΢REE 的变化趋势都是先增后减 ,培养液上清液
΢REE-La 最大值出现在第 6 d , 真菌菌丝体的
΢REE 最大值出现在第 8 d;而培养液上清液 pH 最
低值为第 6 d的 4.21 ,而第 8 d的 4.28与最低值也
非常接近 。可见培养液上清液和真菌菌体中稀土元
素的含量与 pH 值有密切关系。K 2HPO4 浸泡液
΢REE-La 为 11.63 ng ,而培养液上清液 ΢REE-
La最小值为38.78 ng ,最大值为 418.90 ng ,培养液
上清夜中稀土元素含量大大高于 K 2HPO4 浸泡液
中稀土元素含量。说明真菌活动可以改变介质 pH
值 ,真菌及其代谢产物对矿物中稀土元素的溶出和
迁移起着重要作用 。
K 2HPO 4 浸泡液δCe=0.08 、δEu=1.32 ,而真
菌培养液上清液δCe最大值为 2.02 ,δEu 最小值为
0.23 , 菌体 δCe 最大值为 15.90 , δEu 最小值为
0.33;与 K 2HPO 4 浸泡液相比 ,真菌培养液上清液
和菌丝体的稀土元素都有高的 δCe 值和低的δEu
值 ,呈现富 Ce 贫 Eu的特征 ,且菌体中富 Ce 贫 Eu
的特征比上清液中更明显。说明在风化过程中真菌
可使 Ce相对活化 ,而 Eu则有一定的抑制作用 ,致
使风化过程中 Ce溶出速率较大 ,Eu的溶出缓慢 ,对
变价稀土元素 Ce 、Eu分异起到一定的作用 。
真菌对稀土元素的分异作用使残留矿物的 Ce
负异常增加 , Eu正异常减弱 ,与碳酸盐岩风化成土
中 Ce强烈亏损的变化规律一致[ 20 , 21] ,说明真菌对
碳酸盐岩风化过程中稀土元素的分异有一定作用。
研究表明 ,微生物可以使轻 、重稀土产生分异[ 14 ～ 16] ,
在碱性条件下某些微生物及有机质的吸附作用也会
促进稀土元素的迁移和富集[ 21 , 22] 。反过来 ,风化壳
中稀土元素组成和分异特征也能反映微生物代谢活
动的强弱及对环境的影响程度[ 16] 。因此了解风化
壳中微生物代谢产物的类型和数量 、pH 值 , 以及
REE 的赋存形式 、组成特征 、异常程度等可为评估
风化壳中微生物代谢活动的强弱和微生物在岩石风
化过程中所起的作用提供有用的信息 。
2.4　真菌影响稀土元素行为的机制
在岩生真菌和矿粉的相互作用过程中 ,真菌生
长过程产生大量的代谢产物 ,包括有机酸 、酮类 、多
聚糖等 ,导致介质 pH 值 、氧化还原电位 、有机配位
60 窦传伟等/一株岩生真菌对白云岩中稀土元素溶出 、迁移和富集影响的研究
体的数量等发生很大变化 ,且真菌能直接吸附和吸
收稀土元素 ,影响稀土元素的行为。真菌影响稀土
元素的溶出 、迁移和产生分异的机制可能主要有以
下几个方面:
(1)代谢产物的络合作用:微生物影响稀土元
素行为的一个重要机制就是形成有机质-REE 络合
物[ 22] ,有机质与稀土离子的络合物较无机络合物更
为稳定[ 10] 。岩石风化过程中微生物的生长不断提
供有机配位体 ,促进了有机质-REE 络合物的形成
和数量的增加 ,加速了稀土元素的溶出 、迁移和富
集 ,而真菌形成有机质-REE 络合物的能力强于其
它微生物[ 23] 。
(2)真菌产生的代谢产物对 pH 值的调节作
用:有机酸的产生使微生物能维持一个较低的 pH
值 ,从而加速了岩石的化学溶蚀和稀土元素的释放 ,
同时提高了稀土元素在溶液中的稳定性 。
(3)菌体的直接吸收和吸附作用:真菌菌体的
直接吸收和吸附作用也是影响稀土元素溶出和分异
的一个重要因素[ 10 , 14 , 15] 。
(4)氧化还原作用:稀土元素主要呈+3价 ,但
Ce 和 Eu为变价元素 ,真菌生长会改变介质的氧化
还原电位 ,使 Ce 和 Eu改变价态 ,相应的晶体化学
性质也发生变化 ,在溶出 、迁移和富集的过程发生分
异。
在真菌对白云岩的风化的实验过程中 ,一开始
真菌生长旺盛 ,产生的有机酸导致介质 pH 值下降 ,
真菌生长不断提供有机配位体 ,促进了有机质-REE
络合物的形成和数量的增加 ,加速岩石的化学溶蚀
和稀土元素的释放 ,提高了稀土元素在溶液中的稳
定性 。真菌生长改变了介质的氧化还原电位 , 将
Ce
3+氧化为 Ce4+ ,Ce4+离子半径小而电荷数大 ,更
容易被菌体 、有机质和无机物质吸附或与之形成络
合物而优先从矿物中迁出[ 20 , 24] ,导致 REE 分异 ,出
现 Ce 的正异常;而真菌菌丝体和溶液之间进行离
子交换或直接从溶液中吸收稀土元素的过程中进一
步富集 Ce ,导致稀土元素发生更大的分异 。而在风
化作用后期 ,真菌活性降低 ,代谢活动逐渐减弱 ,部
分代谢产物被真菌自身吸收分解或被风化作用消
耗 ,介质 pH 升高 ,真菌的吸附作用和代谢产物的络
合作用减弱 ,稀土元素又逐渐沉淀下来 ,菌丝体中的
稀土元素也不断释放到发酵液中 ,培养液上清液和
菌丝体的稀土元素含量又开始下降 。由于真菌的吸
附作用和代谢产物的络合作用减弱 、Ce 的浓度过大
等影响 , Ce 大量沉淀 ,真菌发酵液和菌丝体的δCe
又开始变小。
3　结　　论
(1)真菌可使稀土元素产生分异作用 。与
K 2HPO 4 浸泡液浸出的稀土元素相比 ,培养液上清
液的稀土元素 δCe 值较大 , δEu 值较小 ,富 Ce 贫
Eu ,稀土元素分异现象明显;真菌菌丝体中富 Ce 贫
Eu的特征更加明显 ,菌体对Ce有强烈的富集作用。
(2)培养液上清液 REE 的含量普遍高于
K 2HPO 4 浸泡液 REE含量;真菌生长产生的酸性环
境 、代谢产物的络合作用以及真菌菌丝体的直接吸
收和吸附作用对稀土元素的溶出 、迁移和富集起着
重要作用 。
(3)真菌生长代谢活动使介质 pH 值 、氧化还原
条件 、有机配位体的数量等不断发生改变 ,使稀土元
素发生分异 ,影响着稀土元素的溶解和沉淀 。
致　谢:漆亮研究员为样品的处理和稀土元素
的分析测试提供了指导和帮助;贵州大学生命科学
学院硕士研究生丁丽君为菌种分离提供了帮助 ,在
此一并表示衷心感谢!
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