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陈骏院士团队在矿物真菌风化作用研究领域取得突破性进展

   日前,由陈骏院士带领的表生地球化学教育部重点实验室地质微生物研究团队在矿物风化研究领域取得突破性进展, 研究成果以“Cellular dissolution at hypha- and spore-mineral interface revealing unrecognized mechanisms and scales of fungal weathering”为题,以南京大学为第一通讯单位于3月6日发表在地质学学科国际顶尖期刊Geology上,文章链接是http://geology.gsapubs.org/content/early/2016/03/07/G37561.1.abstract。该论文第一作者李子波是陈骏院士和美国乔治华盛顿大学滕辉教授(南京大学“思源讲座教授”)共同指导的博生研究生。

早在本世纪初,南京大学表生地球化学团队就开始关注微生物在元素地球化学循环过程中的作用。2003年“地质微生物研究室”成立,专注于微生物在岩石和矿物风化领域的研究,该团队论文“微生物地球化学及其研究进展”(2004)和“地质微生物学及其发展方向 ”(2005)是大陆较早关注微生物地球化学的研究成果之一。

随后,在全球气候变暖问题日益严重的背景下,温室气体二氧化碳浓度成为了科学界的重要议题,矿物碳酸盐化(通过CO2与含Mg或Ca的硅酸盐矿物反应生成碳酸盐)能够实现碳封存,缓解全球气候变暖趋势。但这个过程受制于Mg或Ca从矿物中的提取速率。而微生物具有快速风化矿物的潜力,因此对微生物作用的研究成为解决这个问题的突破口。蛇纹石([Mg3Si2O5(OH)4])因其Mg含量高及地表分布广泛的特点被公认为是用来封存CO2的最好原材料之一。通过野外工作获得模式真菌Talaromyces flavus后,研究团队利用该真菌对利蛇纹石风化效率进行了对比实验,结果发现该真菌可以将利蛇纹石中Mg提取效率提高近一倍。至此,探究真菌风化作用机制便是研究进展中的关键问题,也是领域内亟需解决的重大科学问题。

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蛇纹石地区野外植物根部根系-真菌菌丝共生

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真菌菌丝在利蛇纹石矿物表面形成的~85微米长溶蚀通道及菌丝-矿物界面以下矿物特征的变化

据此,该团队设计了巧妙的实验方法、使用一系列先进的分析测试仪器(原位和高分辨) 对真菌代谢有机分子和附着真菌细胞局部的溶解过程进行系统的研究,实验发现: (1)模式真菌通过胞外有机分子和细胞-矿物界面过程共同加快矿物的溶解;(2)附着在矿物表面的菌丝和孢子都会直接溶解矿物,产生局部溶蚀现象。菌丝借助生物物理力在矿物表面带来比孢子高一个数量级的溶解速率,其中孢子的溶解作用是该研究领域内第一次科学系统的报道。研究计算分析出的细胞-矿物界面带来的矿物溶解占总风化量的40%~50%,大大高于前人估算的1%。本次研究的发现对碳和营养的生物地球化学循环、环境地球化学(重金属溶解和迁移),以及生态系统的演化(植物的生长和发育)都具有重要意义。因此,文章在Geology上线后便立即引起了科学界的关注。目前,Science和美国地球物理学会(AGU)对通讯作者滕辉教授进行了专访,并针对研究过程、研究成果及其重要意义进行了详实且系统的报道。

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Science对该文章的新闻报道(http://www.sciencemag.org/news/2016/03/iron-eating-fungus-disintegrates-rocks-acid-and-cellular-knives)

 

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EOS对该文章的新闻报道(https://eos.org/articles/using-acid-and-physical-force-fungi-burrow-through-rock )

    该研究所有实验和分析测试均在南京大学完成,研究过程中内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、污染控制与资源化研究国家重点实验室、医药生物技术国家重点实验室和生命分析化学国家重点实验室的众多工作人员都给予了积极的支持和帮助。该研究得到了中国地质调查局地质调查工作项目(12120113005400)和国家基金委创新研究群体科学基金(41321062)的支持。