地表“礦物膜”半導體礦物光電子調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)演化特性研究
發(fā)布時間：2022-01-17 07:30
礦物-微生物交互作用廣泛參與地球表層系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動過程,深刻地影響著一系列重要的地表生物地球化學進程。近年來地表半導體礦物的相關(guān)研究,為礦物-微生物交互作用提供了嶄新研究方向,揭示地表"日光-半導體礦物-微生物"系統(tǒng)電子傳遞過程及其環(huán)境效應,是地質(zhì)微生物學交叉領(lǐng)域研究的核心科學問題之一。本研究從地表不同生境"礦物膜"出發(fā),以光電化學技術(shù)證實喀斯特、紅壤、巖石漆"礦物膜"在1 000min長時間循環(huán)實驗中平均光電流值約為5.4、3.4、3.2μA/cm2,證實"礦物膜"良好日光響應特性且鐵錳氧化物礦物在其中發(fā)揮核心作用�；诠P者前期研究所發(fā)現(xiàn)的"礦物膜"電活性菌富集且與半導體礦物分布呈正相關(guān)性這一現(xiàn)象,本文進一步構(gòu)建模擬光電子紅壤細菌群落系統(tǒng),20天后細菌群落α多樣性顯著提升,研究證實細菌群落具有模擬光電子響應活性,且電極與溶液群落均具有演化方向性;16S rRNA測序分析表明模擬光電子作用下Shewanella、Pseudomonas、Streptococcus、Lactobacillus、Acinetobacter等電活性菌顯著富集。綜上,本文研究結(jié)果間...
【文章來源】：地學前緣. 2020,27(05)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：12 頁
【部分圖文】：
三電極光電化學體系示意圖
通過SR-XRD分析巖石漆礦物成分，研究表明其主要由黏土礦物及鐵錳氧化物礦物構(gòu)成（圖2d），具體礦物相包括石英、蒙脫石、水鈉錳礦、錳鋇礦、赤鐵礦、針鐵礦等。電鏡觀察巖石漆微形貌過程中能譜（EDS）數(shù)據(jù)顯示主要組成元素為O、Mn、Fe、Si、Al，其中Mn質(zhì)量分數(shù)為12.42%～17.07%,Fe質(zhì)量分數(shù)為8.85%～11.28%,O、Si、Al質(zhì)量分數(shù)分別為47.36%～50.43%、11.23%～16.72%、6.64%～8.78%；基巖Mn含量<1%，與前人報道指出的巖石漆Mn元素含量高于基巖100倍結(jié)果相一致[22-25]。由于鐵錳氧化物結(jié)晶程度差，為準確了解“礦物膜”中鐵錳氧化物主要礦物相組成，采用顯微拉曼光譜原位分析“礦物膜”樣品。喀斯特“礦物膜”樣品結(jié)果如圖2e所示，576cm-1與635cm-1分別對應水鈉錳礦平行于錳氧八面體層Mn—O鍵對稱伸縮振動峰以及垂直于錳氧八面體層Mn—O鍵對稱伸縮振動峰[26]。之前X射線擴展邊譜（EXAFS）傅里葉變換分析結(jié)果表明，喀斯特“礦物膜”與層狀水鈉錳礦更為接近，尤其在2.0～4.0?范圍內(nèi)原子結(jié)構(gòu)殼層，指示其中的錳氧化物主要為層狀水鈉錳礦結(jié)構(gòu)形式[8]，結(jié)果吻合于前人所指出的水鈉錳礦及類水鈉錳礦在土壤、荒漠、富錳礦床甚至海洋錳結(jié)核等不同地質(zhì)環(huán)境為主要物相[27]。其中224、495、297、410、615cm-1包含了Fe—O彎曲振動峰以及O—Fe—O伸縮振動峰[28]，指示赤鐵礦廣泛存在，拉曼分析表明赤鐵礦與水鈉錳礦是“礦物膜”最主要的鐵錳氧化物礦物。2.2 半導體“礦物膜”日光響應特性
同時進一步將Xe燈作為日光模擬光源，切換不同濾光片獲取不同波長，研究“礦物膜”特定波長下光電轉(zhuǎn)化效率。如圖3b所示，3組樣品IPCE變化范圍皆為0.002‰～0.03‰，對比3條曲線，所有樣品在400nm一端數(shù)值較高，并在420nm處測得實驗體系的可見光范圍內(nèi)最大值；同時第二峰值出現(xiàn)在580nm的短波一側(cè)，波長越短，光子能量越高，“礦物膜”將具有更強參與光催化電子傳遞能力，實驗結(jié)果表明“礦物膜”對于不同波段可見光皆具有良好吸收特性，且對短波部分吸收更多，在地表環(huán)境中可發(fā)揮持續(xù)性光催化作用。3“礦物膜”群落結(jié)構(gòu)及電活性菌富集特性分析
【參考文獻】：
期刊論文
[1]地表“礦物膜”:地球“新圈層”[J]. 魯安懷,李艷,丁竑瑞,王長秋. 巖石學報. 2019(01)
[2]武漢黃棕壤鐵錳氧化物膠膜的礦物學特征研究[J]. 李巖,李艷,魯安懷,王浩然,丁聰,楊曉雪. 巖石礦物學雜志. 2016(02)
[3]Introduction of the X-ray diffraction beamline of SSRF[J]. 楊鐵瑩,文聞,陰廣志,李曉龍,高梅,顧月良,李麗,柳義,林鶴,張興民,趙濱,劉亭坤,楊迎國,黎忠,周興泰,高興宇. Nuclear Science and Techniques. 2015(02)
[4]關(guān)鍵帶中天然半導體礦物光電子的產(chǎn)生與作用[J]. 魯安懷,李艷,王鑫,丁竑瑞,劉熠,王長秋. 地學前緣. 2014(03)
[5]土壤膠膜的研究進展[J]. 黃麗,劉凡,譚文峰,王貽俊. 土壤通報. 2003(02)
本文編號：3594314
【文章來源】：地學前緣. 2020,27(05)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：12 頁
【部分圖文】：
三電極光電化學體系示意圖
通過SR-XRD分析巖石漆礦物成分，研究表明其主要由黏土礦物及鐵錳氧化物礦物構(gòu)成（圖2d），具體礦物相包括石英、蒙脫石、水鈉錳礦、錳鋇礦、赤鐵礦、針鐵礦等。電鏡觀察巖石漆微形貌過程中能譜（EDS）數(shù)據(jù)顯示主要組成元素為O、Mn、Fe、Si、Al，其中Mn質(zhì)量分數(shù)為12.42%～17.07%,Fe質(zhì)量分數(shù)為8.85%～11.28%,O、Si、Al質(zhì)量分數(shù)分別為47.36%～50.43%、11.23%～16.72%、6.64%～8.78%；基巖Mn含量<1%，與前人報道指出的巖石漆Mn元素含量高于基巖100倍結(jié)果相一致[22-25]。由于鐵錳氧化物結(jié)晶程度差，為準確了解“礦物膜”中鐵錳氧化物主要礦物相組成，采用顯微拉曼光譜原位分析“礦物膜”樣品。喀斯特“礦物膜”樣品結(jié)果如圖2e所示，576cm-1與635cm-1分別對應水鈉錳礦平行于錳氧八面體層Mn—O鍵對稱伸縮振動峰以及垂直于錳氧八面體層Mn—O鍵對稱伸縮振動峰[26]。之前X射線擴展邊譜（EXAFS）傅里葉變換分析結(jié)果表明，喀斯特“礦物膜”與層狀水鈉錳礦更為接近，尤其在2.0～4.0?范圍內(nèi)原子結(jié)構(gòu)殼層，指示其中的錳氧化物主要為層狀水鈉錳礦結(jié)構(gòu)形式[8]，結(jié)果吻合于前人所指出的水鈉錳礦及類水鈉錳礦在土壤、荒漠、富錳礦床甚至海洋錳結(jié)核等不同地質(zhì)環(huán)境為主要物相[27]。其中224、495、297、410、615cm-1包含了Fe—O彎曲振動峰以及O—Fe—O伸縮振動峰[28]，指示赤鐵礦廣泛存在，拉曼分析表明赤鐵礦與水鈉錳礦是“礦物膜”最主要的鐵錳氧化物礦物。2.2 半導體“礦物膜”日光響應特性
同時進一步將Xe燈作為日光模擬光源，切換不同濾光片獲取不同波長，研究“礦物膜”特定波長下光電轉(zhuǎn)化效率。如圖3b所示，3組樣品IPCE變化范圍皆為0.002‰～0.03‰，對比3條曲線，所有樣品在400nm一端數(shù)值較高，并在420nm處測得實驗體系的可見光范圍內(nèi)最大值；同時第二峰值出現(xiàn)在580nm的短波一側(cè)，波長越短，光子能量越高，“礦物膜”將具有更強參與光催化電子傳遞能力，實驗結(jié)果表明“礦物膜”對于不同波段可見光皆具有良好吸收特性，且對短波部分吸收更多，在地表環(huán)境中可發(fā)揮持續(xù)性光催化作用。3“礦物膜”群落結(jié)構(gòu)及電活性菌富集特性分析
【參考文獻】：
期刊論文
[1]地表“礦物膜”:地球“新圈層”[J]. 魯安懷,李艷,丁竑瑞,王長秋. 巖石學報. 2019(01)
[2]武漢黃棕壤鐵錳氧化物膠膜的礦物學特征研究[J]. 李巖,李艷,魯安懷,王浩然,丁聰,楊曉雪. 巖石礦物學雜志. 2016(02)
[3]Introduction of the X-ray diffraction beamline of SSRF[J]. 楊鐵瑩,文聞,陰廣志,李曉龍,高梅,顧月良,李麗,柳義,林鶴,張興民,趙濱,劉亭坤,楊迎國,黎忠,周興泰,高興宇. Nuclear Science and Techniques. 2015(02)
[4]關(guān)鍵帶中天然半導體礦物光電子的產(chǎn)生與作用[J]. 魯安懷,李艷,王鑫,丁竑瑞,劉熠,王長秋. 地學前緣. 2014(03)
[5]土壤膠膜的研究進展[J]. 黃麗,劉凡,譚文峰,王貽俊. 土壤通報. 2003(02)
本文編號：3594314
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