微生物风化磷灰石过程中溶解与毒性的平衡开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

磷是生态系统物质循环的基础，是有机体的重要组成元素，是植物生长必需的大量矿质养分之一。磷素以广泛多样的形式参与生命体的代谢循环。然而，磷的生物地球化学循环属沉积型循环 [1]。海洋、淡水沉积物和陆地土壤中包含了大部分地球表面的磷元素 [2]。与碳氮循环不同的是，由于磷的价态（ 5价）非常稳定，磷主要参与非氧化还原反应，并且没有重要的气体阶段或大气成分参与 [2]。地球上的总磷含量很高，以矿物形式存在的磷含量约有8.4×10⁸ tg [3,4]。在地质时间尺度上，地球系统中新磷主要来源于岩石矿物（主要是钙磷灰石和氟磷灰石）缓慢的风化作用 [5]。氟磷灰石[fap；ca₁₀（po₄）₆f₂]是火成岩、变质岩和沉积岩中最常见的含磷矿物相[6]，占地球全磷的90%以上。因此，土壤中有效磷的多少主要取决于地球上fap释放磷的速率。

在过去的50年里，磷缺乏正成为全球农业面临的挑战。19世纪以来，在许多自然、半自然生态系统中，由于土壤中磷的移动性很低 [7]，使得土壤中的n/p及c/p失调，土壤性质发生变化，土壤中的磷素有效性不足以平衡氮素有效性 [8]。因此，磷成为更多陆地生态系统中生物生长和重要生态过程的限制因子 [9]。据统计，全世界有超过30%的耕地处于磷限制的状态 [10]，而我国有近50%的耕地作物生长受到磷素的限制 [11]。此外，可获得的干净磷矿是有限的。位于弗吉尼亚州雷斯顿的美国地质调查局估计，约有62亿吨磷酸盐残留在地下。其中包括目前可开采的15亿吨矿藏和其他尚未开采的矿藏。后者留在地下，主要是因为它们含有太多的杂质——如镉和其他有毒金属——或者是因为它们在近海难以到达的地方。根据美国地质调查局最新公布的数据，2008年，全球共开采了1.61亿吨磷酸盐。该调查的磷矿石商品专家史蒂芬贾辛斯基表示，未来5年，对化肥的需求预计将以每年2.5-3% 的速度增长。如果这一速度继续下去，全球的外汇储备将维持125年左右。当考虑到fap的低溶解度积常数（ksp，约10^-60）时，这种挑战变得更加严峻 [12]。并且，fap储层自然丰富的地区仍存在缺磷问题。中国西南部的贵州省有约12.5亿吨的磷矿床 [13]。然而，研究表明770个耕地样本的土壤表层平均有效磷含量仅为8.6ppm [14]。

对于提高磷灰石的溶解度方面已经有较多的研究。有研究表明酸性环境能显著提高磷灰石的磷释放 [15]。此外，微生物通过分泌低分子量有机酸在溶解磷酸盐矿物方面发挥重要作用 [16,17]。微生物通过三羧酸循环分泌多种低分子量有机酸，如真菌分泌的草酸主要在乙醛酸盐氧化过程中产生 [17,18]。已经证明，微生物分泌的柠檬酸、乙酸、葡萄糖酸、苹果酸、酒石酸、乳酸、草酸和酒石酸等都对难溶性无机磷酸盐的溶解释放有促进作用 [18]。有机酸可直接溶解根际磷酸盐，与阴离子进行配体交换，与土壤中的铁、铝、钙等阳离子络合或螯合，从而将有效磷释放到土壤溶液中 [18]。溶磷微生物溶解难溶性磷盐的能力主要受自身菌株特性的影响。黑曲霉是曲霉属真菌类群中的一个常见种，是一种典型的溶磷真菌，因其产生有机酸（如草酸）的能力而被广泛认可，这些有机酸通过脱质子反应促进环境酸化 [19,20]。并且，真菌比细菌释放磷的效率更高，例如，与肠杆菌的创造的ph值为5的环境相比，黑曲霉能够创造ph值值为3的环境。具体地说，草酸由于其高浓度和高酸度常数（k_α1=6.5×10^-2）而主导酸度，因此草酸的分泌导致ph值低至1-2 [21]。

2. 研究的基本内容和问题

（1）探究真菌参与下的地球上含磷矿物的磷元素与氟元素的释放。

（2) 以真菌为研究对象，阐明磷及氟元素影响下它们在生理的反馈机制。

研究内容：

3. 研究的方法与方案

1、样品制备

从贵州省开阳磷矿保护区采集了磷灰石样品。该地区拥有巨大的磷矿沉积储量，估计约为12.48亿吨。采集50kg的氟基磷灰石样品，然后通过retsch mm400混合磨机研磨成粉末，并通过100μm筛进行以下试验。

从南京大豆根际土壤中分离到一株具有代表性的溶磷真菌黑曲霉（南京农业大学cgmcc 11544）。在实验之前，它在28℃的马铃薯葡萄糖琼脂（pda）平板上培养5天，形成孢子。用无菌水将形成的孢子从培养表面冲洗分离出来，用血细胞仪测定孢子浓度。

4. 研究创新点

（1） 首次把毒性考虑到生物风化的过程中，为磷缺乏现象的解释提供了新的思路

（2） 把生物化学实验与光谱学方法相结合，对实验的结果进行了相互印证。

5. 研究计划与进展

研究计划：

2019年9月初，完成实验准备工作，确认具备充足的实验用具及对所需仪器进行确认。将实验用的菌株黑曲霉进行活化及所需的磷灰石进行研磨。

2020年9月中旬，完成磷灰石粉末与黑曲霉的培养实验，每天取样。每日对生物指标进行实时测定；并且，同时进行磷灰石切片与黑曲霉的培养实验。