解钾细菌C6X对伊利石和钾长石钾吸附动力学的影响

2019-02-11尚海丽张延旭毕银丽

煤炭学报 2019年12期

尚海丽，张延旭，裘浪,毕银丽

(1.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083; 2.内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古包头 014010)

蒙东草原地区属于大陆性亚寒带气候，土壤贫瘠，作物年生长周期较短，生态环境脆弱。当地露天煤炭开采形成大规模排土场，造成土地资源浪费，引起粉尘污染、水土流失、植被破坏等多种环境问题，草原生态急剧恶化。在蒙东第四系沉积层约15～30 m深度分布一套巨厚暗色黏土层，黏土矿物相对含量可达到55%～60%，主要以伊蒙混层矿物、伊利石、高岭石等黏土矿物组成，富含有机质，是排土场土壤重构过程中地表熟土的宝贵替代资源[1]。微生物菌剂作为一种绿色、经济的土壤改良剂，在土壤修复、矿区生态恢复过程中发挥了重要作用[2]。因此，利用微生物技术充分开发蒙东地区黏土层作为替代熟土的巨大潜力，是蒙东露天矿排土场复垦的重要内容。

其中，伊蒙混层矿物、伊利石和钾长石等矿物富含钾元素，具有极大的钾肥开发潜力。但是大部分矿物钾元素不能被植物有效利用，且由于淋滤作用强烈，很大一部分钾元素被淋滤流失，造成土壤钾的实际利用率低[3]。钾元素从土壤深部向上迁移至植物根系层，才可能被植物吸收利用。这种迁移过程与多种因素有关，特别是与土壤黏土矿物对钾元素的吸附动力学过程有密切联系[4]。前人针对土壤钾元素的吸附动力学做了大量研究[5-6]。研究结果表明，潮土和褐土在不同K+浓度条件下的吸附动力学过程可以用一级反应动力学方程描述[7]。薛泉宏和马博虎[8]对比研究了耕层土、黄绵土、黑垆土和黏化层等4种黄土高原地区土壤的钾吸附动力学过程，结果表明黏化层和黑垆土的吸附固定量最大。土壤钾的吸附动力学过程不仅与土壤类型有关，还与温度、施肥方式、土壤中钙、钠和镁离子的交换作用等因素有关[9-11]。

解钾细菌具有释放黏土矿物中植物不能直接利用的有用元素，如钾、镁和硅等，以及促进植物生长的能力[12]。有学者通过对樟子松接种丛枝菌根真菌，研究丛枝菌根真菌对土壤黑云母、微斜长石等矿物释钾能力的影响，结果表明，丛枝菌根真菌促进黑云母的释钾作用，樟子松叶片钾含量显著提高[10]。尚海丽等[13]研究表明，解钾细菌对伊利石的释钾效果优于钾长石，解钾细菌在促进钾元素迁移、提高玉米生长中具有显著促进作用。因此，进一步研究解钾细菌对伊利石、钾长石等矿区常见矿物钾的吸附动力学的影响，是揭示解钾细菌释钾过程的重要机理研究，也为合理利用解钾细菌开发蒙东草原土壤钾肥潜力提供理论基础。

以往关于解钾细菌的研究主要集中在解钾细菌释钾作用对土壤钾元素释放、促进植物生长的影响等方面[13-15]，土壤吸附动力学研究主要集中在土质、矿物类型和农耕管理措施等因素的影响[16-18]，但是关于解钾细菌对土壤黏土矿物吸附动力学过程的影响鲜见研究。因此，笔者以蒙东地区常见2种矿物伊利石、钾长石为供试材料，通过静置培养法进行样品接菌预处理，采用平衡法研究解钾细菌作用对2种矿物钾吸附动力学过程的影响。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试矿物:由于蒙东草原黏土层土壤矿物种类多样，含有大量伊蒙混层矿物，且矿物相对含量不稳定，不适用于直接进行定量化的吸附试验研究。因此，本试验选用河北省灵寿县天然伊利石黏土岩和钾长石矿粉，粒径均<0.15 mm。X射线荧光分析测得钾长石和伊利石样品的主要化学组成(表1)。其中，钾长石含钾量10%，伊利石含钾量5.4%。钾长石样品以微斜长石为主，含少量钠长石，伊利石样品中含少量石英。

表1 供试钾长石和伊利石化学组成
Table 1 Chemical compositons of illite and feldspar%

供试微生物:解钾细菌C6X。由中国矿业大学(北京)微生物复垦试验室自行筛选[19]，并经广东省微生物分析检测中心进一步分离纯化，鉴定该菌种为Phyllobacteriumifriqiyense，属革兰氏阴性菌，记为C6X。

1.2 试验方法

1.2.1样品预处理

伊利石和钾长石2种矿物、蒸馏水均采用蒸汽灭菌处理，灭菌温度120 ℃，时长30 min，压力120 kPa。2种矿物粉分别装入直径90 mm的玻璃培养皿中，20 g/个。每份样品分别加入田间最大持水量70%的蒸馏水，分别进行接菌和接灭活菌2种处理，记为K和CK。其中，蒸馏水中解钾细菌菌液或灭活菌液添加质量分数为10%，供试菌液在440 nm 波长下的光密度(OD)为0.12。待浸润均匀，封口膜密封保持水分恒定，放入恒温生化培养箱30 ℃恒温静置培养7 d 后，样品自然阴干，4 ℃冷藏待测。以上操作均在无菌试验室进行。

1.2.2钾的吸附动力学试验

称取经预处理后的阴干样品伊利石和钾长石，每份2.500 g，放入100 mL聚乙烯离心管中，加入钾质量浓度为60 mg/L的0.01 mol/L CaCl2溶液50 mL，在25 ℃恒温振荡培养箱中振荡2 h，静置平衡12 h，摇匀离心，倾出上清液测定钾质量浓度，记为Ct。再向离心管加入50 mL上述CaCl2溶液，重复上述操作至基本平衡，累计时间120 h。每种处理设3个重复。

钾的吸附量Δqt=(C0-Ct)V/m，式中，Δqt为样品在某段时间的钾吸附量，mg/kg;V为平衡溶液体积，mL;C0和Ct分别为钾的初始溶液质量浓度和t时间吸附后平衡溶液质量浓度，mg/L;m为样品质量，g。将各时间段样品钾吸附量Δqt按时间顺序逐一累加，即为各时刻的钾累积吸附量。

采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测定上清液K质量浓度。

1.3 数据处理

采用一级动力学方程、抛物线方程、Elovich方程和指数方程进行钾元素的吸附动力学模型拟合。利用Vt=A+Blnt方程拟合钾元素吸附速率随时间的变化过程。利用Elovich方程拟合分析钾元素吸附固定的不同反应阶段。

2 结果与分析

2.1 解钾细菌对黏土矿物随时间变化的钾吸附量的影响

解钾细菌对伊利石、钾长石钾的吸附动力学过程的影响效果不同(图1)。图1是不同接菌处理的黏土矿物中钾的吸附动力学曲线。

由图1可知：随着反应时间增加，钾的累积吸附量逐渐增加，在84 h伊利石对钾的吸附基本达到平衡，而钾长石在108 h达到平衡。在反应初始阶段(0～12 h),伊利石和钾长石各处理的累积吸附量差异不显著。当反应时间大于12 h后，伊利石的钾累积吸附量接菌处理大于接灭活菌处理，且差异显著;钾长石接菌处理和接灭活菌处理钾的累积吸附量无显著差异。接菌处理伊利石最终累积吸附量大于2种接菌处理的钾长石，且差异显著。结果表明，与钾长石对比，伊利石钾的吸附平衡时间更短、钾的累积吸附量更大，解钾细菌对伊利石钾的累积吸附量促进作用显著。因此，伊利石比钾长石更利于钾的吸附，解钾细菌作用进一步提高伊利石对钾的吸附能力。

这一结果可能与伊利石和钾长石的矿物结构有关。与钾长石具有架状硅酸盐结构不同，伊利石具有典型的层状硅酸盐结构，为土壤钾元素提供丰富的吸附点位，包括矿物表面p位、矿物晶片边缘e位以及矿物层间i位等，利于钾元素吸附固定[20]。同时，层状硅酸盐结构也为解钾细菌代谢活动提供了充足的营养来源和活动场所[21]。

2.2 钾元素吸附固定过程的动力学模型

Sparks等用双常数方程描述2种土壤钾钙交换过程,Martin等将一级扩散方程、Elovich方程、抛物扩散及零级方程用于非交换性钾的释放,薛泉宏等将上述模型和一级反应方程用于黄土性土壤交换钾吸附、解吸过程,获得了理想的拟合效果[8]。本文在前人的研究基础上，最终选用一级动力学方程、抛物线方程、Elovich方程和指数方程进行拟合，拟合效果见表2。综合比较相关系数R、相对系数R2、标准误差和相对标准误差，不同接菌处理的伊利石吸附动力学过程对指数方程拟合效果最佳，钾长石拟合效果最佳的动力学模型是一级动力学方程，两种矿物均对Elovich方程和抛物线方程拟合效果最差。结果还表明，解钾细菌对两种矿物的钾吸附固定过程的动力学模型无显著影响。

图1 不同处理黏土矿物中钾的吸附动力学曲线Fig.1 Potassium adsorption kinetics curves of clay minerals with different treatments

表2 钾元素吸附固定的4种动力学模型
Table 2 Four kinds of kinetic models of potassium adsorption

处理类型一级动力学方程ln(1-q/q∞)=KαtRR2SeRse/%抛物线方程q/q∞=A+Bt1/2RR2SeRse/%Elovich方程q=Bln t+ARR2SeRse/%指数方程ln q=Bln t+ARR2SeRse/%钾长石-CK0.980.960.230.060.990.999.612.450.990.999.362.390.990.990.030.01钾长石-K0.950.910.440.10 0.990.9910.382.450.990.9813.013.070.990.990.030.01伊利石-CK0.990.980.240.050.940.8824.00 5.340.980.9613.543.010.970.940.050.01伊利石-K0.950.890.640.110.970.9426.944.790.990.9814.012.490.980.970.050.01

注:Se为标准误差;Rse为相对标准误差。下同。

上述结果说明伊利石和钾长石钾的吸附动力学过程比人们预想的更为复杂，这种复杂性可能是伊利石和钾长石的矿物结构导致的。钾长石属于架状结构的矿物，对钾元素的吸附作用主要依靠矿物表面的吸附，即当反应发生在p 位(矿物表面)上时,反应主要受控于膜扩散形式,符合一级动力学方程。而伊利石对钾元素的吸附点位多样，包括P位、e位和i位，依次为矿物表面、矿物晶片边缘和矿物层间。因此，伊利石对钾的吸附动力学过程更复杂，更符合指数方程[20]。

2.3 钾元素吸附固定速度与时间的数学模型

解钾细菌对不同黏土矿物吸附动力学的影响不仅体现在累积吸附量的变化，还包括吸附动力学过程的影响(表3)。不同时段2种处理的伊利石和钾长石钾的吸附固定速度显著不同。钾的吸附固定平均速度由大到小依次为接菌伊利石>接灭活菌伊利石>接菌钾长石>接灭活菌钾长石。因此，解钾细菌显著提高了伊利石和钾长石钾的吸附固定速度。

对比各时段钾的吸附固定速度，接菌处理的伊利石在达到平衡时间之前的吸附固定速度显著高于其它3种处理。接菌伊利石在84 h之后时段吸附速率显著降低，表明此时段已基本达到平衡。接灭活菌伊

表3 不同时段黏土矿物钾的吸附固定速度和平均速度
Table 3 Potassium adsorption fixed velocity and averagevelocity of clay minerals at different times

时段/h钾长石-CK钾长石-K伊利石-CK伊利石-K0～1213.5715.4819.3121.5112～245.533.816.188.2524～362.213.283.414.1536～482.313.072.433.9348～602.472.982.363.3160～722.252.421.433.1872～841.731.750.202.1184～961.611.380.150.3396～1080.800.850.150.11108～1200.150.320.130.03平均速度3.263.533.584.69

注:钾长石-CK，钾长石-K，伊利石-CK，伊利石-K单位为mg/(kg·h)。

利石的吸附速率在72 h之后显著下降，即在72 h达到基本平衡。接菌处理钾长石各时段吸附速率大于接灭活菌处理，仅在12～24，84～96 h 两个时段接灭活菌处理大于接菌处理。解钾细菌对钾长石钾的吸附平衡时间无显著影响。因此，解钾细菌通过提高伊利石钾的吸附速率、延长钾的吸附平衡时间，从而最终提高伊利石钾的吸附量。解钾细菌通过提高钾长石钾的吸附速率，从而提高钾长石钾的吸附量，但不同时段对吸附速率的提高效果不稳定。

钾元素吸附固定速率随时间变化过程可利用Vt=A+Blnt方程拟合[8]，拟合效果见表4。伊利石吸附速率和lnt的相关性最强，拟合效果最佳;钾长石的拟合效果较差。对比速率方程的B值，接菌伊利石>接灭活菌伊利石>接菌钾长石>接灭活菌钾长石。这说明解钾细菌作用提高了伊利石吸附速度随时间的降低速率，伊利石吸附速度随时间的降低速率比钾长石更快，这一点在表3中也可以得到印证。

表4 钾元素吸附速度和时间lnt的数学模型
Table 4 Mathematical models lntand potassiumadsorption velocity

处理类型ABRSeRse/%钾长石-CK22.261-4.755-0.8971.818 013.402 2钾长石-K24.089-5.145-0.8682.292 914.810 5伊利石-CK32.426-7.221-0.9042.657 713.760 9伊利石-K36.911-8.064-0.9232.611 112.137 3

2.4 钾元素吸附固定过程的快、中、慢反应阶段

采用拟合效果最差的Elovich方程拟合伊利石和钾长石钾的吸附固定过程，可以显示反应速率明显不同的2～3个吸附阶段[8](图2)。接菌和接灭活菌处理伊利石、钾长石的钾吸附动力学过程均可以划分为快、中、慢3个反应阶段。每个反应阶段的平衡常数B、反应时间和吸附量及其所占比例见表5。接菌伊利石在快速阶段和中速阶段的吸附量占近99%，高于接灭活菌处理(93.7%);但是吸附时间比接灭活菌处理延长总时长的10%。接菌处理和接灭活菌处理钾长石的3个阶段的吸附时间无显著差异。仅在中速阶段和慢速阶段，钾长石接菌处理吸附量高于接灭活菌处理，而快速阶段钾长石接灭活菌处理大于接菌处理。综上所述，由于伊利石层状结构的先天优势，为解钾细菌提供充分的活动场所和营养元素，解钾细菌对伊利石矿物结构、化学成分和形貌的改造强烈，因此解钾细菌对伊利石钾的吸附动力学过程的影响作用显著高于钾长石[21]。

图2 钾的吸附固定Elovich方程曲线Fig.2 Curves of Elovich equation of potassium adsorption and fixation

表5 钾吸附过程的不同反应阶段(Elovich方程)
Table 5 Different reaction stages of adsorption process

注:Bi为每个反应阶段的平衡常数;ti为每个反应阶段所需平衡时间;ti占比为每个反应阶段的平衡时间占反应总时间的百分比;qi为每个反应阶段达到吸附平衡时的钾的吸附量;qi占比为每个反应阶段的吸附量占总吸附量的百分比。

3 讨论

3.1 伊利石和钾长石钾的吸附动力学过程的差异

蒙东草原常见富钾矿物为伊利石、伊蒙混层矿物、钾长石等，土壤总钾量高达2 000 mg/kg，但是植物可利用的交换性钾含量不超过80 mg/kg，土壤钾元素利用率很低[1]。土壤中的氮、磷、钾等多种元素是植物生长必须的主要营养元素，这些营养元素在土壤中以不同形式存在。其中，有一部分被土壤黏土矿物吸附的土壤养分在一定条件下更易被释放，供植物生长所需[22]。因此，土壤黏土矿物对土壤养分的吸附和释放能力在植物生长中具有重要作用。土壤黏土矿物对钾元素的吸附能力主要体现在钾元素淋滤作用强烈的土壤中，这种吸附性可以有效减少土壤钾元素的淋滤，对土壤保持肥力具有重要意义[20]。土壤黏土矿物对钾元素的释放解吸能力表现在土壤贫瘠，所供植物生长的养分缺乏时，黏土矿物及时释放钾元素，为植物生长提供源源不断的营养元素，缓解土壤肥力不足的问题[23]。土壤吸附动力学过程主要包括累积吸附量、吸附平衡时间、吸附速率、吸附过程的动力学模型等。袁东海等[24]通过磷等温吸附解吸试验表明不同黏土矿物对磷素的吸附量显著不同，主要取决于钙含量和胶体氧化铁及氧化铝的含量，而pH、阳离子交换量和比表面积对磷的吸附量影响较小。土壤钾元素的吸附动力学过程主要与土壤类型、温度、施肥种类和方式、农艺方式等因素有关。在本文研究中，对比钾长石，伊利石通过提高吸附速率、在较短的平衡时间内达到较高的累积吸附量。这说明土壤钾元素的吸附动力学过程与土壤矿物种类有关。这与李娜等[20]的研究结果一致，表明土壤钾元素通过黏土矿物多样化的吸附点位吸附固定在土壤颗粒中。MAGNUS Simonsson等[25]通过长期田间试验研究，结果表明，土壤2:1型黏土矿物在土壤钾的释放和固定过程中起到非常重要的作用，XRD曲线表明伊利石(001)晶面层间距会随着钾元素的吸附固定显著增大，而且伊利石蒙脱石化的程度阻碍了伊利石对钾元素的固定作用。这一研究结果对蒙东草原大量伊蒙混层矿物在土壤钾肥管理中的作用具有重要启示。

3.2 解钾细菌对2种富钾矿物钾的吸附动力学过程的影响作用差异

解钾细菌是一种低廉、绿色的微生物菌剂，可以通过酸解作用、螯合作用、阳离子交换反应和有机酸产物等作用，释放黏土矿物中植物不能直接利用的K+，Mg2+和Si4+等元素，提高土壤肥力水平[26]。尚海丽等[13-14]的研究表明，在玉米生长条件下，解钾细菌促进了钾元素向上迁移，提高土壤固钾能力，并促进玉米对钾元素的吸收积累。本文试验结果表明，解钾细菌提高了伊利石钾的累积吸附量，提高伊利石钾的吸附固定速率，并且延长了伊利石对钾的吸附时间。解钾细菌对钾长石钾的吸附动力学过程无显著影响。根际微生物通过分泌柠檬酸、有机酸等代谢成分，影响土壤矿物对钾元素的释放过程，前人的研究结果表明，施用G.m真菌菌剂，对钾长石的释钾作用无显著效果，而作为具有典型层状硅酸盐结构的黑云母，释钾效果显著[10]。因此，微生物对土壤钾元素吸附动力学过程的影响，主要作用于黏土矿物，这与黏土矿物具有层状硅酸盐结构有关[27]。LIAN Bin等[9]在研究喜温真菌Aspergillusfumigatus对含钾矿物的释钾作用中表明，Aspergillusfumigatus通过溶解有机配体的络合作用、固定的生物聚合物、生物细胞和矿物颗粒的物理接触形成的机械张力等3种途径促进矿物钾的释放。综上所述，解钾细菌不仅促进黏土矿物释钾，而且通过提高黏土矿物钾的吸附速率、延长吸附平衡时间，最终促进黏土矿物对钾的吸附固定能力。因此，解钾细菌在开发东草原黏土层土壤肥力、促进黏土层作为替代熟土的过程中具有积极意义。