1. 研究目的与意义

微生物作为地球表层分布最为广泛、种群异常庞大、分异度极高的生命形式，可以通过多种方式来改变人们赖以生存的地球，其与矿物的相互作用每时每刻都在发生着，其中包括微生物活动对矿物的风化作用。在地层记录中不仅保留了大量微生物矿化产物，还能够通过微生物氧化或酸溶作用促进岩石的风化。大量研究表明，在微生物的参与下矿物的溶解与无菌条件下明显不同，不仅风化速率有显著提高，而且作用机制也有差异^[1]。微生物对矿物的风化作用既是重要的理论研究课题，也与经济发展密切相关。陈丰（2001）曾提出，从生物体内的矿物到生物与矿物的相互作用有着广阔的研究空间。诸如土壤的形成与演化、土壤肥力的形成、植物的矿物营养、矿物的生物淋滤、石质文物的保护、金属的富集与成矿作用等都与微生物对矿物的风化作用有关等^[2]。

目前，我国在一些矿区废弃地的治理中发现，某些坡地过大的地方，轮胎固定土壤作用较差，土壤被雨水蚀光，导致植物死亡^[3]。土壤是由岩石经风化作用形成的，通常，在温带地区的自然风化营力作用下，岩石风化1cm，需要经过200年甚至更长时间。在土壤菌作用下，风化1cm岩石则只需12a^[4]。

真菌对难溶性碳酸岩的风化更是起到不可忽视的作用，微生物风化碳酸钙的能力大小为：真菌放线菌细菌，如何加快真菌对碳酸盐岩石的风化作用，改善岩区生境成为一个亟待解决的问题。

2. 国内外研究现状分析

国外研究概况

在国外，自muentz^[5]研究了细菌在岩石风化和土壤形成中的作用后,人们认识到微生物对岩石风化的影响对整个陆地生态系统的建立和岩石圈的演化具有十分重要的意义^[6]。随着分子生物学手段和高分辨率扫描电镜及透射电镜的引入,人们对微生物参与的矿物风化作用有了更加透彻的理解^[7~12]。近三十年来，有关微生物与矿物作用的研究与应用越来越多。90年代以后，《生物地貌学》、《斜坡加固和侵蚀控制生物工程途径》、《坡面加固的生物技术和土壤生物工程》等专著相继问世。^[13]

土壤菌永久绿化法是一种由日本科学家发明的新型岩石坡面防护绿化专利技术，而这一技术中，土壤菌的培植和生育基盘的形成是绿化的关键^[14]。其施工方法是(以陡倾岩石坡面为例):首先对坡面进行修整，清除坡面松散物，对坡面较大坑穴进行回填处理。再对坡面进行挂网，钢丝网格经固定后。形成一个牢固、稳定的持力体。再进行吹付。吹付材料是由腐殖土、有机肥、稳定剂、土壤菌、植物种子、粘结剂、水等材料按一定比例进行混合的混合材料，吹付材料经搅拌器搅拌均匀后通过管道输送至坡面，由吹付机吹付到钢丝网格上。由于吹付材料中含有纤维物质，吹付到坡面时，在稳定剂、粘结剂和钢丝网的共同作用下，吹付基盘材料附着于坡面，不会因受雨水冲刷而滑移、泻溜。土壤菌绿化法其原理是用有效土壤菌加速岩石的土壤化进程，快速形成适应草木生存所需的土壤，并模拟自然生态环境，将自然循环应用于绿化中，人为地制造出一个生态循环系统，促使植物生长。土壤菌中含有大量的微生物，如中温菌群、高温菌群、放线菌、丝状菌、水素细菌等，有机物经过这些土壤菌分解后，变成有机酸和无机营养成份。无机营养成份可以被植物吸收，而有机酸能对岩石矿物颗粒进行再分解，使粗颗粒逐渐变细，最终变成粘土，同时它还能供给植物营养。在土壤菌的作用下，人工制造出一个土壤层生育基盘，这层土壤具有高次团粒结构，能栖息多种土壤小动物和各种微生物，最适合植物生长。在生育基盘上，植物分孽多，生长快，根系发达。由于土壤菌绿化法与自然界的原理相近，所以生育基盘不会衰退，保证了绿化的永久性^[15]。

利用微生物来处理因采矿及冶炼而产生的环境污染问题仍是当前所面临的一项重大课题。

3. 研究的基本内容与计划

1、研究内容及研究方法

1.1研究内容

微生物矿物学是一门新兴的边缘学科，目前国外对这一领域的研究工作极为重视，出版的论文（著）逐年增多，研究的内容也更为广泛和渗入。近年来，微生物矿物学的研究工作也得到了我国部分学者的重视，但与国外相比尚有很大的差距。微生物狂徐学的主要研究内容包括：微生物矿物及其集合体的物质组成、内部结构、外部形态、理化性质、生理功能、形成条件、矿化过程和演化历史；微生物生长繁殖及其代谢活动所造成的矿物元素转移、富集或微生物与矿物两者之间互相制约、互相促进及其发展变化的规律，以及这些规律在人类生产实践中的应用。研究微生物矿物学是为了充分开发微生物矿物资源，并将其应用于石油、煤炭、化工、冶金、建筑、环保和农业等部门。

在微生物与矿物相互作用的过程中，微生物可以从矿物中直接或间接获取生长所需的物质和能量，并提升自身对环境的适应性以及与其它生物的竞争性；与此同时，发生矿物的微生物降解或微生物矿化作用。土壤和水分是植物生长的前提条件，是破坏山体植被恢复过程中两个关键因子。

1.2研究方法

1.2.1实验设计

在南京幕府山采样，采用富集培养法对该处的土壤菌进行培养分离，将分离纯化过的菌种保存并进行鉴定。同时在南京幕府山采样，培养工作同步进行。

对鉴定并验证过的土壤高效菌种进行扩大培养，并将其与过200目筛的砂石混合进行液体培养，分期对培养不同时间的样品用pH测定仪测定其培养液的pH，运用电导率仪测定其电导率，运用ICP光谱仪测定其中Ca，Mg，K等重金属离子，以及Si等离子的含量，运用高效液相色谱技术测定微生物代谢过程中释放的有机酸与小分子蛋白含量，以及运用扫描电镜技术探测微生物对岩石表面作用的迹象，以探究土壤菌对岩石风化过程的作用机理，并且对比筛选出目标菌种进行下一步的实验。

采用取自幕府山的岩石打磨而成的规则形状岩石块，将筛选出的高效目标菌种喷播于规格一致的模拟岩面之上，放置于外界自然条件中，探究在近自然条件下，目标菌种对岩石风化作用的速率是否会发生一定的改变及其改变的方向与改变程度。

1.2.2主要指标的测定

1）菌悬液的不同时间内各项指标变化：pH；电导率；各项离子浓度（Ca、Mg、Al、Si、Fe、K）

2）土壤菌适于生存的最佳环境指标：pH；温度；培养基成分；O₂的供给量

2、技术路线图

真菌对幕府山岩石的风化作用机理初探

3课题时间安排

1）2013.3收集与课题相关的资料，查看相关的文献，明确研究内容、方法。

2）2013.4：按照实验设计的步骤采样，培养，测定，分析。

3）2013.5-2013.6：全面整理、分析、综合所得数据，撰写论文

4. 研究创新点

由于历史上长期开采矿石，幕府山地质结构和植被破坏严重。本次实验通过从幕府山采样，依托电镜等仪器设备观察微生物对矿物的溶蚀作用，经过测量分析初步探求真菌对幕府山岩石的风化作用机理及高效菌种，以寻求结合土壤菌综合治理废弃矿山的方法。以前，人们对于微生物与矿物的研究较少结合矿山治理，此次试验，具有更好的实际应用意义，可以为今后的幕府山环境治理提供操作方法和科学依据。