来源：The biological weathering of bastnaesite by Aspergillus niger and adsorption effect on dissolved La and Ce（Chemical Geology）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
氟碳铈矿是全球稀土供应的主要来源，但其环境不稳定性使其极易发生风化。本研究以黑曲霉（Aspergillus niger）为对象，系统探究了其对氟碳铈矿的真菌风化机制及对溶解态镧（La）和铈（Ce）的吸附行为。研究发现，黑曲霉主要通过分泌柠檬酸（985 mg/L）、草酸（125.47 mg/L）和葡萄糖酸（133.78 mg/L）等低分子量有机酸促进矿物溶解，且菌-矿直接接触体系中的La和Ce浓度分别达到非接触体系的1.63倍和1.88倍。研究还揭示黑曲霉及其胞外聚合物对Ce³⁺的吸附亲和力高于La³⁺，为理解稀土元素的地球生物化学循环提供了新视角。
研究背景
稀土元素（REEs）包括镧系元素（La–Lu）、钪和钇，是医疗、清洁能源、国防等尖端技术领域不可或缺的战略资源。稀土元素主要以混合化合物的形式赋存于地质构造中，工业可开采的稀土主要存在于独居石、氟碳铈矿、磷钇矿和离子吸附型黏土四种矿物类型中。其中，氟碳铈矿因储量丰富，占全球稀土产量的70%以上。从氟碳铈矿中提取稀土的传统化学方法通常需要大量化学试剂，易造成环境污染。与其他稀土矿物相比，氟碳铈矿在环境中极易发生风化。然而，传统风化研究主要聚焦于物理和化学过程，而表生环境中生物风化对稀土元素的形态转化、空间迁移与富集具有重要影响，却关注较少。
研究方法
2.1 实验材料
2.1.1 氟碳铈矿
氟碳铈矿样品采集自中国西南部四川省牦牛坪稀土矿床，该矿床是典型的氟碳酸盐型稀土资源。纯化后的矿物部分在玛瑙研钵中干磨至约75 μm（200目）的粒径，随后储存于干燥器中。取0.10 g粉末样品进行消解，采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES，PerkinElmer，Optima 7000DV，美国）测定所得溶液中REEs的浓度。化学组成和相纯度进一步通过X射线荧光光谱法（XRF，Panalytical Epsilon 3，荷兰）和X射线衍射（XRD，Panalytical X'Pert3 Powder-DY5103，荷兰）表征。使用Jade 6.0软件分析XRD图谱以确认矿物相。
【数据】矿物粒径：约75 μm（200目）；样品消解量：0.10 g；La:Ce比例：1:1.39（见结果部分）；仪器：ICP-OES、XRF、XRD
2.1.2 黑曲霉
真菌菌株分离自牦牛坪矿区采集的环境样品。微生物样品经筛选和实验室培养以分离纯菌株。纯化后的菌株随后在30 °C下培养，观察其菌落形态（图1（a和b））。分子鉴定方面，提取分离株的基因组DNA，利用特异性引物通过聚合酶链反应（PCR）扩增18S rDNA区域。获得的578 bp扩增子经测序后提交至GenBank数据库。通过BLAST分析将所得序列与NCBI数据库中的参考序列进行比对。使用MEGA 4.0软件基于比对的18S rDNA序列构建系统发育树（图1(c)）。结合分子和形态学特征，该分离株被鉴定为黑曲霉。本研究中采用改良Czapek培养基培养黑曲霉，组分如下：葡萄糖（20 g/L）、K₂HPO₄（0.10 g/L）、NaNO₃（2.0 g/L）、MgSO₄（0.50 g/L）、FeSO₄·7H₂O（0.010 g/L）和KCl（0.50 g/L）。实验中使用的所有化学试剂均为分析纯，购自西陇化工股份有限公司。
【数据】培养温度：30°C；PCR扩增子长度：578 bp；改良Czapek培养基组分：葡萄糖20 g/L、K₂HPO₄ 0.10 g/L、NaNO₃ 2.0 g/L、MgSO₄ 0.50 g/L、FeSO₄·7H₂O 0.010 g/L、KCl 0.50 g/L
2.2 实验方法
2.2.1 浸出实验
为研究黑曲霉对氟碳铈矿的浸出和界面效应，设计了三组实验：生物浸出、非生物浸出和界面接触实验。生物浸出的具体步骤如下：250 mL锥形瓶装入氟碳铈矿粉末和改良Czapek培养基。经高压灭菌（121 °C，20 min）后，无菌接种黑曲霉孢子悬浮液。黑曲霉孢子悬浮液的制备方法为：从固体培养基上收集成熟孢子，重悬于无菌超纯水中。通过紫外-可见分光光度计测定270 nm处的光密度（OD₂₇₀）来标准化孢子浓度，将悬浮液调整至初始OD₂₇₀为0.1。三组平行锥形瓶在轨道摇床（30 °C，160 rpm）中培养30天。同时设置对照组以确定改良Czapek培养基对氟碳铈矿的溶解作用。在第2、4、6、8、10、14、18、22、26和30天定期取样，测定pH及La和Ce的浓度。具体实验组为：0.25 g氟碳铈矿+98 mL改良Czapek培养基+2 mL真菌悬浮液；对照组为：0.25 g氟碳铈矿+100 mL改良Czapek培养基。
同时建立界面接触实验组。非接触组中，将0.25 g氟碳铈矿粉末密封在透析袋（截留分子量：10 kDa）中，该透析袋可阻止真菌细胞和菌丝通过，同时允许离子、代谢物和营养物质的自由扩散。随后将透析袋置于含有无菌改良Czapek培养基的锥形瓶中。接触组中，将等量的矿物粉末和透析袋直接添加到培养基中。两组均接种2 mL标准化黑曲霉孢子悬浮液（OD₂₇₀ = 0.1），并在与上述相同的条件下培养。
为进一步研究特定真菌代谢物在矿物溶解中的作用，采用高效液相色谱法（HPLC，Agilent 1260，美国）测定生物浸出液中有机酸的类型和浓度。根据分析结果，制备含有等浓度已鉴定有机酸的合成浸出培养基。实验方法和分析流程与生物浸出实验一致，重点探究这些有机酸对氟碳铈矿的溶解作用。
【数据】灭菌条件：121°C、20 min；孢子悬浮液初始OD₂₇₀：0.1；培养条件：30°C、160 rpm、30天；取样时间点：第2、4、6、8、10、14、18、22、26、30天；实验组：0.25 g矿物+98 mL培养基+2 mL菌液；对照组：0.25 g矿物+100 mL培养基；透析袋截留分子量：10 kDa；接种量：2 mL孢子悬浮液（OD₂₇₀=0.1）
2.2.2 生物吸附实验
研究了黑曲霉及其EPS对溶解态Ce³⁺和La³⁺的吸附行为。黑曲霉在改良Czapek培养基中培养4天直至形成肉眼可见的菌球，随后从培养基中收获，以4000 rpm离心20 min，用超纯水洗涤三次，最后冷冻干燥获得干燥的黑曲霉生物质。吸附实验中，将0.10 g干燥生物质悬浮于10 mL吸附溶液中，该溶液含2 mg/L La³⁺、2 mg/L Ce³⁺，或二者的二元混合物（各2 mg/L）。在第0、5、15、30、60、120和240 min采集样品。经0.45 μm滤膜过滤后，采用ICP-OES测定上清液中La³⁺和Ce³⁺的残留浓度。EPS的提取按照先前文献（Liu and Fang, 2002; Yin et al., 2011）进行，吸附溶液中La³⁺和/或Ce³⁺的浓度同样为2 mg/L。所有实验均设三组平行。
【数据】培养时间：4天；离心：4000 rpm、20 min；生物质用量：0.10 g；吸附液体积：10 mL；La³⁺/Ce³⁺浓度：2 mg/L（单一或各2 mg/L的二元混合物）；取样时间：0、5、15、30、60、120、240 min；滤膜孔径：0.45 μm
2.3 分析方法
有机酸分析采用HPLC，使用C18反相色谱柱（50 mm × 4.6 mm）。流动相为甲醇和0.25%（v/v）乙酸水溶液（95:5，v/v）的等度洗脱，流速为1.0 mL/min。柱温维持在30 °C，检测波长为210 nm，进样量为10 μL。采用扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS，Zeiss，SIGMA 300，德国；Hitachi，Su5000，日本）和傅里叶变换红外光谱（FTIR，Frontier，美国）阐明黑曲霉与氟碳铈矿之间的相互作用机制。
【数据】HPLC条件：C18柱（50 mm × 4.6 mm）、流速1.0 mL/min、柱温30°C、检测波长210 nm、进样量10 μL、流动相甲醇:0.25%乙酸水=95:5（v/v）
研究结果
3.1 氟碳铈矿的表征
采用XRF分析氟碳铈矿样品的主要组分，结果见表1，总REEs含量约为45.57 wt%。酸消解样品的ICP-OES分析得出La:Ce比为1:1.39，对应浓度分别为152.2 mg/g和211.3 mg/g。XRD物相分析（图2）显示，该精矿的主要物相为REFCO₃，伴生重晶石（BaSO₄）、石英（SiO₂）和萤石（CaF₂）。上述结果表明，杂质的化学稳定性确保它们不会对氟碳铈矿中溶解的La和Ce产生显著干扰。
【数据】总REEs含量：约45.57 wt%；La浓度：152.2 mg/g；Ce浓度：211.3 mg/g；La:Ce比：1:1.39；主要物相：REFCO₃；伴生矿物：BaSO₄、SiO₂、CaF₂
3.2 浸出实验
生物浸出过程中pH的时间变化如图3(a)所示。对照组pH在整个实验期间维持在4.2–4.8的稳定范围内。相比之下，黑曲霉介导的实验组从第6天开始出现逐渐酸化，pH在第10天降至最低值3.8。随后从第10天开始pH回升，最终在第30天出现显著的碱性偏移至pH 7.53。浸出液中pH的变化可能与黑曲霉分泌的有机酸有关。第10天后观察到的pH升高可用两个相互关联的机制解释：（1）黑曲霉从对数生长期转入稳定期，导致有机酸分泌量大幅下降；（2）氟碳铈矿驱动的有机酸消耗速率超过分泌速率，导致酸性代谢物逐渐耗尽，pH随之升高。
事实上，在限定实验条件下黑曲霉分泌的有机酸确实通过HPLC检测到了。浸出10天后，有机酸总浓度达到峰值，其中柠檬酸为主要代谢物（985 mg/L），占检测酸总量的78.4%，其次是葡萄糖酸（133.78 mg/L）和草酸（124.47 mg/L）。
氟碳铈矿中溶解的La和Ce呈现波动趋势，表现为先升高（第10天达到峰值746 μg/L La和1519 μg/L Ce），后降低（第26天为278 μg/L和622 μg/L），随后在第30天再次回升，如图3(b和c)所示。相比之下，不含黑曲霉的对照组La和Ce浓度始终处于较低水平，表明黑曲霉确实加速了氟碳铈矿的溶解以及La和Ce的浸出。尽管在我们的实验体系中La和Ce的浸出效率仍然相对较低，但这种微生物介导的风化过程在自然环境中普遍存在，并对REEs的活化和迁移产生显著影响。这一发现凸显了微生物矿物风化在调节地球环境中REEs迁移和转化方面的重要作用。
根据已有文献（Dusengemungu et al., 2021; Shen et al., 2024b; Zhou et al., 2024b），微生物是矿物风化中的关键生物地球化学介质，主要通过酸解、络合和氧化还原反应加速矿物溶解。本研究中，黑曲霉分泌的有机酸通过两条途径促进元素释放。首先，有机酸的质子化作用通过H⁺的生成促进氟碳铈矿的溶解。其次，有机配体不仅通过形成表面络合物破坏矿物晶格结构以加速La和Ce的浸出，还与La和Ce形成稳定络合物以降低其在溶液中的浓度，从而促进氟碳铈矿的溶解。在浸出初期，尽管配体诱导的溶解度降低，但持续的产酸作用占主导地位，导致La和Ce逐渐积累。相应地，浸出液的pH在实验开始时呈现总体下降趋势。第10天，pH达到最低值，而有机酸浓度达到峰值。随后，由于营养耗竭，黑曲霉的活性受损，导致有机酸产量下降，氟碳铈矿的溶解速率也随之降低。此外，浸出液中的部分La和Ce可能形成沉淀并被黑曲霉及其EPS吸附，最终也导致溶液中La和Ce浓度的降低。在浸出实验结束时，营养耗竭诱导微生物应激反应，可能将代谢资源重新分配至生存机制。从第26天起，培养物中出现浊度表明细胞裂解，触发La和Ce从吸附/胞外储库中重新溶解，导致La和Ce浓度反弹。
生物浸出前后氟碳铈矿的SEM-EDS图像如图4所示。SEM表征显示，生物浸出后氟碳铈矿表面粗糙度增加（图4(b)），这可能归因于有机酸的酸解作用或次生矿物沉淀的形成。事实上，在菌丝表面也观察到了可见的沉淀物（图4(c)）。EDS检测确认了这些沉淀物中存在La和Ce信号（图4(d)）。这些表面沉淀可能归因于La和Ce与几丁质结合羧基的配位作用（–COOH→–COO⁻–REE³⁺），和/或由浸出的La和Ce与草酸反应形成。
【数据】对照组pH范围：4.2–4.8；实验组最低pH：3.8（第10天）；第30天pH：7.53；柠檬酸：985 mg/L（占78.4%）；葡萄糖酸：133.78 mg/L；草酸：124.47 mg/L（注：摘要中为125.47 mg/L，原文此处为124.47 mg/L，以原文为准）；La峰值：746 μg/L（第10天）；Ce峰值：1519 μg/L（第10天）；第26天La：278 μg/L；第26天Ce：622 μg/L
3.3 界面相互作用实验
界面接触和非接触实验中的pH变化如图5(a)所示。两组呈现相似的pH趋势，均表现为先降后升。值得注意的是，从第2天到第22天，接触体系的pH始终低于非接触体系。这一现象可归因于氟碳铈矿作为黑曲霉定殖和增殖的附着基质，从而促进真菌生长并增强有机酸的分泌。第22天后，接触实验中的pH高于非接触实验。这一差异归因于黑曲霉附着在氟碳铈矿表面，形成生物膜（由真菌菌丝和代谢物组成），并创造有利于矿物溶解的局部微环境。因此，更多的氟碳铈矿被溶解，导致pH升高。
接触和非接触体系中La和Ce的浸出行为如图5(b和c)所示。结果显示REEs浸出效率显著，接触体系中La和Ce浓度分别比非接触体系高约1.63倍和1.88倍。一方面，在接触体系中，黑曲霉分泌了更多的有机酸。另一方面，黑曲霉还对氟碳铈矿施加物理风化作用，如其菌丝穿透和包裹矿物颗粒，从而促进代谢物的直接界面传递以促进风化。类似结果在先前研究中也有报道。例如，Wang等（2023）发现菌丝的机械作用（拓宽微裂缝）和局部酸解（有机酸分泌）可能协同增强了氟碳铈矿的溶解。Mendes等（2021）也表明黑曲霉可通过菌丝沿矿物解理面穿透诱导磷酸盐岩表面的物理破坏。根据Wang等（2024）的研究，铀的生物浸出主要依赖于直接生物浸出过程中真菌菌丝和有机酸造成的表面损伤。菌丝施加的生物力学力与有机酸的化学作用相结合，共同促进了矿物的分解。
【数据】接触体系La浓度：非接触体系的1.63倍；接触体系Ce浓度：非接触体系的1.88倍；pH差异期：第2天至第22天
3.4 生物方法与有机酸方法的浸出对比
图7显示了生物方法和有机酸方法在浸出过程中La（a）和Ce（b）浓度的变化。通过对比黑曲霉介导的生物浸出与合成有机酸溶液的化学浸出效果，可以区分生物因素（如菌丝物理作用、微环境酸化）与纯化学因素对氟碳铈矿溶解的贡献差异。有机酸方法使用与生物浸出液中检测到的等浓度的柠檬酸、葡萄糖酸和草酸进行浸出实验，实验方法和分析流程与生物浸出实验一致。
【数据】原文未详述生物方法与有机酸方法的具体数值对比
3.5 生物吸附实验
图8展示了黑曲霉对单独存在的La和Ce（a）、同时存在的La和Ce（b）的吸附能力，以及EPS对单独存在的La和Ce（c）、同时存在的La和Ce（d）的吸附能力。吸附实验结果表明，黑曲霉及其EPS对溶解态La³⁺和Ce³⁺均具有吸附能力，且对Ce³⁺的吸附亲和力高于La³⁺。
图9显示了黑曲霉吸附La（a和b）、Ce（c和d）、La&Ce（e和f）后的SEM-EDS图像。通过SEM-EDS分析可以观察到吸附后黑曲霉表面的形貌变化及元素分布，进一步证实了La和Ce在黑曲霉表面的吸附富集。
【数据】吸附实验条件：0.10 g干生物质+10 mL吸附液（2 mg/L La³⁺、2 mg/L Ce³⁺或各2 mg/L的二元混合物）；取样时间：0、5、15、30、60、120、240 min
3.6 红外光谱分析
图10(a)为黑曲霉原始样品及吸附La和Ce后的红外光谱图，其中黑曲霉（1）、La吸附后（2）、Ce吸附后（3）、La&Ce吸附后（4）。图10(b)为黑曲霉EPS原始样品及吸附La和Ce后的红外光谱图：EPS（1）、La-EPS（2）、Ce-EPS（3）、La&Ce-EPS（4）。通过FTIR分析可以揭示黑曲霉及其EPS表面官能团与La³⁺和Ce³⁺之间的结合方式，从而阐明吸附机制。
【数据】原文未详述FTIR特征峰的具体波数归属
讨论与解读
黑曲霉确实能够加速氟碳铈矿的风化。一方面，黑曲霉分泌柠檬酸、葡萄糖酸和草酸等低分子量有机酸，通过酸化和溶解作用促进氟碳铈矿的分解。这些有机酸还通过络合作用降低溶液中溶解态La³⁺和Ce³⁺的饱和度，从而促进矿物的溶解。另一方面，黑曲霉在氟碳铈矿表面的定殖产生局部强酸性微环境，且真菌菌丝对氟碳铈矿施加穿透等物理破坏作用。黑曲霉及其EPS均倾向于吸附浸出的La³⁺和Ce³⁺离子，且对Ce³⁺的吸附亲和力更高。这一现象主要归因于Ce³⁺具有更高的电荷密度、更低的位阻效应和更大的共价指数。
编译者解读
本研究从风化机制到吸附行为构建了完整的"真菌-矿物-溶液"相互作用框架，方法设计上采用透析袋隔离体系巧妙区分了接触与非接触机制，值得借鉴。HPLC定量有机酸组分与合成有机酸浸出对比实验的设计思路，为微生物浸出机理研究提供了可复用的方法论模板。值得注意的是，黑曲霉对Ce³⁺的选择性吸附差异提示了稀土元素在表生环境中可能发生分馏，这对稀土生物地球化学循环研究具有参考价值。然而，实验室条件下的浸出效率仍较低，实际矿区应用中矿浆浓度、营养供给和菌株适应性等工程化问题尚待解决，未来可探索通过基因工程改造有机酸合成通路或优化培养策略来提升浸出效率。
参考来源
Huang, Z. (2026). The biological weathering of bastnaesite by Aspergillus niger and adsorption effect on dissolved La and Ce. Chemical Geology. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2026.123341
DOI: 10.1016/j.chemgeo.2026.123341