硅酸鹽解鉀菌對含鉀礦物的選擇性風化機理

何文鳴+陳防

摘要：從棉花根際土壤中篩選、分離、純化了硅酸鹽解鉀菌，進行了硅酸鹽解鉀菌與7種含鉀礦物在厭氧密閉系統(tǒng)中的生物風化解鉀試驗，探討了硅酸鹽解鉀菌對不同含鉀礦物生物風化作用的規(guī)律。試驗結果表明，生物風化反應釋放出K+最多的前3個組合是白云母和QY17、黑云母和QY19、白云母和QY19，反應釋放出K+的量分別為1 235.76、1 010.71、916.61 μg/g。生物風化反應固定K+最多的4個組合是黑云母和QY4、蒙脫石和QY3、黑云母和QY10、高嶺石和QY17，反應中含K礦石固定K+的量分別為78.35、39.92、32.71、22.56 μg/g。形成差異的原因可能是硅酸鹽解鉀菌（包括其次生代謝物）與含鉀礦物的晶體結構之間的雙向選擇過程。硅酸鹽解鉀菌濃度越大，硅酸鹽解鉀菌類群對礦物生物風化作用有選擇性傾向越明顯。造成硅酸鹽解鉀菌的解鉀數量、速率的差異的原因是界面交換過程的不同，機理是硅酸鹽解鉀菌（次生代謝物）與含鉀礦物之間空間構效關系（CQSAR）。風化作用是硅酸鹽細菌剝蝕作用、機械破碎、次生有機酸解鉀過程交替循環(huán)所產生的。腐殖酸的加入促進了硅酸鹽解鉀菌解鉀的過程，延長了解鉀時間，同時向硅酸鹽解鉀菌提供C、N養(yǎng)分。

關鍵詞：含鉀礦物;硅酸鹽解鉀菌;生物風化;空間構效關系

中圖分類號：S154 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）12-2754-09

Selective Bio-weathering Potassium-bearing Mineral by Silicate Bacteria

HE Wen-ming1，2，3，CHEN Fang2，4

（1. School of Chemistry and Environment， Jiaying University， Meizhou 514015， Guangdong， China;

2.Key Laboratory of Aquatic and Watershed Ecology，Wuhan Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 410074，China;

3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China; 4.International Plant Nutrition Institute，Wuhan 430074，China）

Abstract： The silicate bacteria were isolated and purified from cottons rhizosphere. The biological weathering experiments by silicate bacterium with muscovite，kaolinite，biotite，potassium feldspar，smectite，illite，vermiculite were conducted in anaerobic airtight system. The laws of the silicate bacteria with different potassium mineral biological weathering were investigated. The ?results showed that in biological weathering reactions，the first three combinations of releasing K+ were QY17 + muscovite，muscovite + QY19，biotite + QY19 with the releasing amounts of K+ of 1 235.76 μg/g，1 010.71 μg/g， and 916.61 μg/g，respectively. The first four combinations of fixed K+ were biotite + QY4，smectite + QY3，biotite + QY10，kaolinite+QY17. The fixed amounts of K+ were 78.35 μg/g，39.92 μg/g，32.71 μg/g，22.56 μg/g，respectively. The reason maybe be double-choice process between silicate bacteria（and its secondary metabolites） and potassium mineral crystal structure. The cause of differences of releasing potassium ions in quantity and rate was the different interface exchange process between the silicate bacteria and potassium mineral. The mechanism was quantitative structure-activity relationship（QSAR） between the silicate bacteria （secondary metabolites） and potassium mineral. Weathering denudation is a cycle process of silicate bacteria biological weathering，mechanical crushing，and secondary organic acid depolymerization. Humic acid had the capacity of promoting release of K+ and extending the interaction time in the process of biological weathering. C，N nutrient elements were provided for silicate bacteria at the same time.

Key words： potassium-bearing mineral; silicate bacteria; biological weathering; quantitative structure-activity relationship （QSAR）

礦石中結構鉀可以風化成植物可直接利用的水溶性鉀，以維持作物生長[1]。根系的生命活動和根區(qū)有機質的微生物分解增加了根際土壤酸度，同時促使鉀從云母（金云母）的三八面體中釋放，誘導蛭石的形成，釋放出蒙脫石和蛭石羥基晶體層間的K+。目前以含鉀礦物為材料，對硅酸鹽解鉀菌在生物風化作用下向作物提供鉀素的研究取得了一定的進展[2，3]。Puente等[4]將玉米和小麥植物的根瘤菌接種到廢棄云母上，并種植上玉米和小麥，研究發(fā)現(xiàn)廢棄云母發(fā)生生物風化，釋放的K+可以滿足植物的生長。Basak等[1]和Naderizadeh等[5]對廢云母接種了具有鉀增溶作用的微生物（mucilaginosus細菌）來研究鉀動態(tài)釋放，發(fā)現(xiàn)廢云母可有效地為蘇丹草提供鉀素營養(yǎng)。

硅酸鹽解鉀菌吸附在礦物表面，由此引起的侵蝕作用是含鉀礦物風化的重要環(huán)節(jié)。礦物微生物風化有三種途徑：硅酸鹽解鉀菌呼吸作用產生碳酸促進含鉀礦物的溶解[6];次生有機酸（包括微生物胞外聚合物，EPS）與礦物表面發(fā)生表面溶解，如碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物等[7，8];硅酸鹽解鉀菌與復合礦物（金屬硫化物或角閃石、輝石）發(fā)生氧化還原反應[9]。關于硅酸鹽解鉀菌對含鉀礦物的風化機理先后提出了酸解、絡解、酶解、堿解、氧化還原作用以及夾膜吸收等多種觀點[2，3]，實際過程是幾種化學作用共同作用的。因為作用機理和微環(huán)境（種類、濃度、溶液粘度、離子強度）的界面過程不同，含鉀的次生礦物的種類、形態(tài)各異。同時，次生代謝物引起的物理和化學風化作用會逐漸增強。Xiao等[10]在分子層面揭示了真菌風化含鉀礦物質的有效機制，研究表明含鉀礦物與有機酸、碳酸、氧化還原參與者分子能夠加速風化的過程。硅酸鹽風化消耗了二氧化碳，這為微生物參與硅酸鹽和碳酸鹽巖地層的風化研究提供了分子證據。

對礦物的微生物風化途徑和風化機理，學者們提出了一系列不同的觀點。微生物附著在礦物表面的侵蝕作用被認為是促進礦物分解的主要機制。在微生物的參與下，礦物的溶解顯著大于在無菌條件下的溶解[11]。吸附于礦物表面的微生物可以侵蝕礦物，形成大量侵蝕坑[12]，不僅風化速率有顯著提高，而且作用機制也有差異[13，14]。Rodriguz-Leiva等[15]以及Sanhueza等[16]發(fā)現(xiàn)硅酸鹽解鉀菌優(yōu)先選擇結晶度低的礦物顆粒表面吸附。Liu等[17]認為表面侵蝕是硅酸鹽解鉀菌分解礦物的主要方式。Schippers等[18]認為硅酸鹽解鉀菌的吸附及其對礦物表面的侵蝕作用是礦物風化過程的重要環(huán)節(jié)。連賓[19]則認為硅酸鹽解鉀菌能使礦物晶格層間距增大。盛下放等[20]研究發(fā)現(xiàn)硅酸鹽解鉀菌能夠破壞鉀長石的晶格結構并使礦物中的鉀釋放出來，從而增加溶液中游離鉀的濃度。微生物在礦物表面的附著會提升礦物的分解速率，在礦物-硅酸鹽解鉀菌微環(huán)境界面，化學活性物質在細胞和礦物表面間的化學組成呈現(xiàn)復雜的帶狀結構[21]。微生物表面化學基團與礦物表面的金屬元素螯合導致了金屬元素的溶出和礦物分解[22-24]。生物膜一方面可使微生物在礦物表面的附著更為牢固[25]，同時為生物-礦物間物質交換和化學反應提供最為活躍的微觀環(huán)境[26]。真菌釋放的羧酸和碳酸對礦物的剝蝕有顯著的增強作用[27]。雖然大多數學者認為微生物對礦物的風化是生物地球化學循環(huán)的一個主要推動力，但是對微生物活動在遷移、轉換的分子機制和礦物循環(huán)過程中細菌對礦物風化的影響仍然缺乏了解[28，29]。

本研究根據微生物在礦物表面附著的驅動力和影響因素差異，通過晶體微觀結構揭示礦物微生物風化的微觀機制，從生物地球化學的角度闡述硅酸鹽解鉀菌在礦物選擇性風化過程的作用，揭示土壤硅酸鹽解鉀菌與含鉀礦物風化的選擇關系。據此，采取了三個步驟研究了硅酸鹽解鉀菌對含鉀礦物的選擇性風化機理。第一，從鉀高效基因型（high K-efficiency genotype，HEG）和鉀低效基因型（low K-efficiency genotype，LEG）棉花根際土壤分離篩選出15種硅酸鹽解鉀菌;第二，將其與白云母、高嶺石、黑云母、鉀長石、蒙脫石、伊利石、蛭石等7種不同含鉀礦物作用，進行礦物分解實驗;第三，以實驗分析為基礎，基于三維晶體構效關系（3D-CQSAR）分析含鉀礦物的晶體殘缺、硅酸鹽解鉀菌生物特征引起的選擇性風化過程。

1 ?材料與方法

首先從土壤中篩選出硅酸鹽解鉀菌，然后用白云母、高嶺石、黑云母、鉀長石、蒙脫石、伊利石、蛭石等7種不同含鉀礦物與篩選出的硅酸鹽解鉀菌進行礦物分解實驗。同時測試了培養(yǎng)液中次生氨基酸、多糖代謝產物的含量以及培養(yǎng)液的pH。

1.1 ?硅酸鹽解鉀菌分離純化實驗

主要目的是分離得到純化的硅酸鹽解鉀菌。首先，選定培養(yǎng)基。培養(yǎng)基由初篩培養(yǎng)基、復篩培養(yǎng)基和解鉀能力測定培養(yǎng)基3種組成（表1）。其次，對硅酸鹽解鉀菌進行分離、純化。分別在棉花的3個生長期（苗期、蕾期、吐絮期）采集根際和非根際土壤，并將不同種植處理（對照處理、缺水、缺鉀、缺水又缺鉀）的2種基因型棉花（鉀高效、鉀低效）的根際和非根際土壤（共16種）按不同稀釋梯度（10-3、10-4、10-5）涂布于初篩培養(yǎng)基，3次重復。待培養(yǎng)成熟后，選擇大型、透明度大、中間隆起、十分粘著而富有彈性的菌落，在初篩固體平板上劃線純化培養(yǎng)，純化培養(yǎng)基與初篩培養(yǎng)基相同。重復劃線純化培養(yǎng)3次，直至獲得純培養(yǎng)。選擇純化后的34株菌株再進行復篩培養(yǎng)，復篩培養(yǎng)在復篩培養(yǎng)基上進行。

1.2 ?搖瓶解鉀試驗

主要目的是利用含鉀礦物釋放鉀元素質量多少表示生物風化程度，根據礦物與不同硅酸鹽解鉀菌釋放鉀過程差異探討含鉀礦物的晶體殘缺、硅酸鹽解鉀菌生物特征引起的選擇性風化過程。

將15株純化后的硅酸鹽解鉀菌（QY1-QY6、QY9-QY10、QY12、QY14、QY17、QY19、WM1、WM9、WM13等）接入100 mL解鉀能力測定培養(yǎng)基中，搖床培養(yǎng)7 d后進行搖瓶發(fā)酵試驗。在250 mL三角瓶中裝100 mL解鉀能力測定培養(yǎng)基，在125 ℃下滅30 min，按5%量接種，對照加等量滅活菌液和不接種菌，3次重復，搖床（190 r/min）培養(yǎng)7、15、30、45、60 d和1年后，分別取4.5 mL搖瓶培養(yǎng)溶液采用火焰分光光度計法測定溶液中K+的含量。

1.3 ?解鉀培養(yǎng)發(fā)酵液組分的測定

目的是探討硅酸鹽解鉀菌釋放次生代謝物對礦物生物風化影響。有機酸、氨基酸采用Thermo公司Accela 1250型高效液相色譜儀測定。取自發(fā)酵液的10.0 mL有機酸樣品于100.0 mL容量瓶中，用流動相稀釋并定容，搖勻后經0.45 μm 濾膜過濾，濾液待測。氨基酸樣品溶液的制備：取試樣（發(fā)酵液）2.0 mL于10.0 mL離心管中，加人5%磺基水楊酸鈉2.0 mL，混勻，放置1 h，使蛋白質沉淀后加人EDTA溶液1.0 mL和鹽酸溶液1.0 mL，離心15 min，取上清液1.0 mL于5 mL的容量瓶中，蒸干，用1.0 mL（pH 2.2）的緩沖液溶解，待測。

菌株莢膜多糖紅外光譜分析采用乙醇沉淀法提取莢膜多糖，用紅外光譜儀掃描得到莢膜多糖的紅外光譜（掃描范圍4 000 cm-1～500 cm-1，掃描次數32次，分辨率4 cm-1）。

2 ?結果與分析

2.1 ?硅酸鹽解鉀菌在初篩培養(yǎng)基中的菌落生長狀況

根據表2可以發(fā)現(xiàn)，在HEG、LEG棉花缺鉀處理的根際土壤中均產生大量的硅酸鹽解鉀菌。HEG棉花水分充足，缺鉀處理的根際土壤中硅酸鹽解鉀菌能力最強，增加了土壤溶液中的K+。LEG棉花對鉀的吸收利用率更大，增強了棉花耐受低鉀脅迫能力。WM1、WM9、WM13、QY17及QY19能夠廣泛存在于棉花的根際區(qū)域。這或許是在缺鉀環(huán)境下對鉀脅迫的積極響應。同時WM1、WM9、WM13及QY17能夠在棉花根系的酸性環(huán)境中繁殖和增生，在棉花蕾期分離得到硅酸鹽解鉀菌的數量比其他生長期多。

表3表明硅酸鹽解鉀菌數量與棉花的生長期存在顯著的正相關。其中蕾期硅酸鹽解鉀菌數量和吐絮期硅酸鹽解鉀菌數量的相關系數為0.93，這表明硅酸鹽解鉀菌的數量、種類受到所處棉花生長期的影響。

由表4可知，與硅酸鹽解鉀菌直接相關的因子是土壤有機質和非交換性鉀，相關系數分別為0.551和0.532，說明土壤礦物中非交換性鉀在硅酸鹽解鉀菌的生物風化作用后可以轉變成水溶性鉀供給棉花吸收利用。水溶性鉀與土壤有機質相關系數為0.583，與鈉/鉀相關系數為-0.516。非交換性鉀、交換性鉀與土壤有機質為顯著正相關，與化學蝕變指數（CIA）均為極顯著正相關，與鈉/鉀以及土壤溶液總氮為負相關。

2.2 ?硅酸鹽解鉀菌次生代謝物及多糖紅外光譜分析

搖瓶培養(yǎng)60 d后測定培養(yǎng)液中次生氨基酸、多糖代謝產物的含量和pH（圖1A），同時測定了培養(yǎng)液中次生低分子有機酸的含量（圖1B）。

由圖1可知，高嶺石和QY19的組合產生氨基酸和多糖質量最大;QY1解鉀產生大量低分子有機酸，但是蒙脫石解鉀消耗H+的數量有限，導致溶液的酸性最強。白云母和QY17的組合產生草酸最多;高嶺石和QY19的組合產生檸檬酸最多;高嶺石和QY14的組合產生酒石酸最多;蒙脫石和QY1的組合產生乙酸最多;白云母和QY17的組合產生次生有機酸質量最大，其次是高嶺石和QY19的組合。

圖2為多糖的紅外光譜。在1 615 cm-1處有-COO-吸收峰，在1 733、1 615和1 415 cm-1處有特征吸收峰。1 733 cm-1為-COON中的C=O伸縮振動所致;而1 615 cm-1處的寬吸收峰為-COO-中的C=O非對稱伸縮振動的結果;1 415 cm-1為-COO-中的C-O伸縮振動所致。這些說明了多糖分子中存在具有絡合作用的官能團-COO-。這些官能團能與金屬離子絡合，從而使溶液中的K+含量增加。在白云母和QY17、黑云母和QY19、白云母和QY19等組合中，在1615 cm-1處-COO-的吸收峰面積顯著大于其他組合。

2.3 ?硅酸鹽解鉀菌的解鉀過程分析

從圖3A、B、和C看，在厭氧微生物控制的系統(tǒng)中WM1、WM9、和WM13硅酸鹽解鉀菌對含鉀礦物解鉀在70～900 μg/g之間，實驗室風化測得硅酸鹽解鉀菌解鉀速率比自然界含鉀礦石風化釋放K+的量要大得多;同時實驗室條件鉀長石也相對更容易風化，主要是人為控制了水熱條件、硅酸鹽解鉀菌數量、硅酸鹽解鉀菌生長繁殖的養(yǎng)分，這與Bennett等[30]的結論類似。白云母在不同時間段釋放出的K+數量不等，在封閉體系，隨著溶液K+濃度增加，鉀元素釋放量逐漸減小。

硅酸鹽解鉀菌對礦物吸附作用有選擇性，在相同的培養(yǎng)液中，硅酸鹽解鉀菌傾向于選擇性吸附在含鉀礦物上，且濃度越大這種傾向越明顯。硅酸鹽解鉀菌的解鉀能力與類群的形態(tài)、大小、含鉀礦物的晶體結構之間的構效關系有關。硅酸鹽解鉀菌生物風化鉀礦物通常認為包括K+增加過程（硅酸鹽解鉀菌生物莢膜吞飲剝蝕作用，機械破壞作用，次生代謝物的酸解作用）和K+減少過程（硅酸鹽解鉀菌繁殖、增生消耗，礦物的吸附固定）。

從圖4A可知，在整個實驗過程中，硅酸鹽解鉀菌QY1對蒙脫石，硅酸鹽解鉀菌QY17對白云母、蛭石，硅酸鹽解鉀菌QY19對白云母、高嶺石和蛭石，生物風化都起了促進作用。在圖4B中，硅酸鹽解鉀菌QY1、QY2、QY4對高嶺石，硅酸鹽解鉀菌QY17、QY19對伊利石，硅酸鹽解鉀菌QY10、QY17對蒙脫石均有釋放K+功能。這主要通過硅酸鹽解鉀菌生物莢膜吞飲、破壞晶體結構達到釋放K+的目的，但產生的次生有機酸較弱，以致后期硅酸鹽解鉀菌消耗K+作用大于酸解作用，溶液K+濃度降低。

如圖5所示，在0～30 d，礦石表面發(fā)生溶解作用，硅酸鹽解鉀菌與礦物表面直接作用，主要是硅酸鹽解鉀菌對礦物的剝蝕作用及機械破壞作用;在45～60 d期間主要發(fā)生間接作用。原因是硅酸鹽解鉀菌新陳代謝產生大量有機酸，次生代謝物（羧酸，蛋白質）對礦石進行酸解鉀作用，同時在30～45 d硅酸鹽解鉀菌消耗部分K+。但是，從整個作用過程來看，次生有機酸對礦物的酸解鉀作用是主要方式。

在圖6中，0～30 d進行硅酸鹽解鉀菌在礦物表面直接作用，礦物的剝蝕作用及機械破壞作用是主要的風化方式;在30～45 d和45～60 d期間，溶液主要是硅酸鹽解鉀菌不斷消耗K+，發(fā)生次生有機酸解鉀作用微弱。硅酸鹽解鉀菌消耗K+較酸解作用產生K+多，溶液K+濃度降低。從整個的過程來看，剝蝕作用及機械破壞作用是解鉀的主要方式。

綜上所述，以不同時間段溶液中K+的累積釋放量作為解鉀方式是有效的。解鉀生物風化反應釋放出K+最多的前三個組合是白云母和QY17、黑云母和QY19、白云母和QY19，反應釋放出K+分別為1 235.76、1 010.71、916.61 μg/g。QY17硅酸鹽解鉀菌與白云母反應釋放的K+最多，與高嶺石反應卻固定了大量K+，兩者形成明顯差別。硅酸鹽細菌剝蝕作用、機械破壞解鉀過程、次生有機酸解鉀過程交替循環(huán)進行。

圖7A是在培養(yǎng)基中加入腐殖酸，而圖7B是在培養(yǎng)基中未加入腐殖酸。比較A、B圖可知，腐殖酸對K+的釋放有顯著影響。首先腐殖酸能增強硅酸鹽解鉀菌的解鉀作用，K+的累積釋放明顯增加;其次，腐殖酸能延長硅酸鹽解鉀菌解鉀作用的時間。主要是由于腐殖酸多羥基和疏松多孔的結構，增加了表面積，延長了解鉀作用的時間。同時腐殖酸還可以作為碳、氮源向硅酸鹽解鉀菌提供養(yǎng)分。

3 ?小結與討論

在白云母和QY17、黑云母和QY19、白云母和QY19等組合中，代謝產物多糖的紅外光譜1 615.0 cm-1處均有-COO-的吸收峰，且峰面積顯著大于其它組合。一方面，-COO-結構是具有絡合作用的官能團，能與金屬離子絡合;另一方面，由于次生有機酸引起了培養(yǎng)液pH降低，導致氧化還原電位改變進而引起有效態(tài)Fe、Mn大量增加[31]。相對于未接種的原培養(yǎng)液的pH 7.2，接種解鉀菌后，培養(yǎng)液pH下降，在6.1～6.5之間。硅酸鹽解鉀菌發(fā)酵培養(yǎng)前后的pH下降，且與解鉀量表現(xiàn)出負相關。解鉀培養(yǎng)發(fā)酵液中次生有機酸導致pH下降，水分子極化作用促進晶層內（i位）鉀置換。在K+離開晶格的情況下，礦物的負電性降低，以保持整個礦物晶格的電荷平衡。在風化過程中，晶格層之間的距離成為K+是否發(fā)生交換的主要原因，在實際種植中，硅酸鹽解鉀菌解鉀受土壤pH、氧化還原電位、腐殖酸含量影響。結合礦物學與微生物學相關知識，分析晶格空間結構與溶液界面之間的相互作用，可以揭示土壤生態(tài)系統(tǒng)中礦物的生物風化作用的過程。

3.1 含鉀礦物選擇性風化的根本原因是晶體空間構效關系（QSAR）

微生物及其次生代謝物加速硅酸鹽礦物的風化。在經歷長時間的生物化學風化后，利用X Pert Pro MPD衍射儀發(fā)現(xiàn)菌株WM13（膠質芽孢桿菌）和鉀長石組合中，鉀長石風化的產物有微量的球狀蒙脫石、啞鈴狀高鎂方解石和板狀草酸鈣石;而WM13和黑云母組合中，風化產物有片狀、鱗片狀蛭石，蒙脫石和富鐵綠泥石等多種礦物。同時發(fā)現(xiàn)黑云母礦物負電性減弱，這可能是因為Fe2+的氧化為Fe3+。晶格的負電性減弱導致與K+的結合力降低，水合氫離子（H3O+）的大小和鉀相似，H3O+的半徑為12.3～13.0 nm，而K+為13.3 nm，其他水化陽離子（如Mg2+）也相似，所以進入晶體層間裂隙代替鉀的可能性很大。水分子、水合氫離子或其他水化陽離子進入云母晶層取代K+，K+從云母晶層間的裂隙中釋出，此風化過程的特征是溶液中pH增加，與實驗觀察到的現(xiàn)象一致。風化的強度則隨pH降低而加強。在破裂的邊緣i位上K+，也可以發(fā)生H3O+部分代替K+的過程，水分子逐漸滲入晶層之間，擴大晶層間的距離，促進其風化。在菌株WM1和鉀長石組合中，發(fā)現(xiàn)鉀長石風化后有板狀草酸鈣、菱面體形草酸鎂以及球狀蒙脫石形成，而WM1和黑云母組合風化后則有球狀含水埃洛石形成。

白云母組成不同于黑云母，其晶格結構也比較緊密，不含可氧化的Fe2+，因此白云母風化速率比黑云母小。當云母的晶層之間進人了水分子（或H3O+）后形成中間產物（水化云母），包括水化黑云母[（K，H3O）（Mg，F(xiàn)e）3（Si，Al）4O10（OH）2]和水化白云母[（K，H3O）Al2（Si，Al）4O10（OH）2]，水化云母的層間距離較云母擴大，為K+的釋放創(chuàng)造了有利條件。

伊利石的晶體風化解鉀的過程比云母更易釋放K+，有三個方面的原因。其一，伊利石晶格中硅氧四面體片的硅原子被鋁原子置換的數量比云母少。在云母中硅氧片中有1/4的硅被置換，而在伊利石中大約只有1/6的硅被鋁置換，因此伊利石SiO2/Al2O3分子比云母高。其二，伊利石的單位晶胞的負電荷也比較?。ㄓ稍颇傅?2.0價減為-1.3價）。其三，伊利石的晶層之間的疊置不規(guī)整，晶格晶層間的K+部分被Ca2+、Mg2+、H+等所代換。以上三個因素造成了伊利石較云母更易釋放K+。

蛭石和蒙脫石與伊利石相比較，雖有類似的結晶構造和一定數量的負電荷（蒙脫石為-0.65 eV;蛭石為-1.0～1.4 eV），但蛭石和蒙脫石的晶層之間都具有漲縮的性能，所以被吸附的鉀大多屬于交換性鉀。即使K+落入六角形（或雙三角形）網眼之中，或經過干燥脫水而被固定。但比起云母、伊利石等礦物來，K+仍然是較易釋放的。

7種含鉀礦物彼此之間存在著一種相互演變的關系。在云母風化初期，通常會出現(xiàn)水化云母;當鉀比較豐富時，出現(xiàn)伊利石;進一步風化并釋出更多的鉀后，則形成蛭石和蒙脫石。相反，蛭石或蒙脫石在吸收了K+并脫水后，也可以向伊利石及云母類礦物轉變。除上述幾種礦物外，還有許多中間產物。綜上所述，影響礦物選擇性風化和生物風化速率的關鍵是礦物的空間構效關系（QSAR），包括四面體旋轉和晶胞大小、四面體傾斜的程度、羥基的定向、化學組成、顆粒大小、晶格結構有否缺陷、鉀耗竭的程度、層電荷的蝕變和伴生反應。

3.2 ?微界面的環(huán)境特性是影響礦物風化主要因素

固-液界面微環(huán)境表面張力是生物-礦物間物質交換和化學反應最為活躍的微觀環(huán)境因素。表面張力抵消晶格離子間離子鍵和-OH共價鍵作用力，增強水分子間氫鍵對K+的作用力，成為礦物持續(xù)分解的有利因素，而且代謝產生的羧酸和碳酸對礦物的剝蝕有顯著的增強作用。因此，影響礦物生物風化速率的微界面環(huán)境特性包括水合氫離子、生物活動和絡合性有機酸、無機陽離子的種類和數量、是否濕潤或干燥、淋溶強度和溫度變化。在棉花種植過程中主要是土壤礦物組成和風化程度（化學蝕變指數，CIA）的影響及氣候微環(huán)境。

硅酸鹽解鉀菌在溶液和礦物的微界面發(fā)生的風化作用實質是空間構效關系（QSAR）。第一，硅酸鹽解鉀菌粘附在礦物表面的作用力有離子鍵、共價鍵、氫鍵，作用力的大小和方向不確定。第二，在硅酸鹽解鉀菌-礦物復合體體內的pH、代謝產物濃度、溶液粘度、離子強度與周圍環(huán)境有較大差別，次生代謝物引起的物理和化學風化作用則逐漸增強。第三，在復合體內部硅酸鹽解鉀菌的菌絲不斷生長，晶格層間被解離，礦物晶格破損。以上三種因素相互作用可產生短期或永久的構象與結構的變化，最終導致礦物被剝蝕及礦物組分含量發(fā)生變化。

微生物在礦物表面的附著能夠顯著提高礦物的風化速率。本試驗中解鉀能力的差異是礦物晶體和硅酸鹽解鉀菌及其次生代謝物相互選擇的結果。本研究認為生物過程在風化中發(fā)揮了重要的作用。如何促進化學酸解，溶解平衡向釋放鉀素方向移動是下一步研究重點。應用標準礦物與小分子有機酸解鉀實驗闡述釋放鉀素的微觀機理對研究土壤鉀的釋放有重要理論和實踐意義。

參考文獻：

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