1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геохимия
  4. T. 68, № 10, 2023

Геохимия, 2023, T. 68, № 10, стр. 1021-1031

Роль взаимодействий бактерий и глинистых минералов в педохимических процессах

Л. В. Переломов *

Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
300026 Тула, проспект Ленина, 125, Россия

* E-mail: perelomov@rambler.ru

Поступила в редакцию 13.03.2023
После доработки 28.04.2023
Принята к публикации 03.05.2023

Аннотация

В обзорной статье рассмотрены двусторонние взаимодействия между бактериями и глинистыми минералами и их влияние на химический состав и протекание химических процессов в почвах. Показано участие бактерий в выветривании, трансформации и синтезе новых глинистых минералов, что способствует изменению водоудерживающих свойств почв, обеспечению их плодородия, вносит вклад в круговорот нутриентов и загрязнителей. Описаны разнообразные процессы прямого и опосредованного влияния филлосиликатов на микробиологическую активность и микробное разнообразие в почвах и возможная биогеохимическая роль этих процессов. Очевидно, распространенность различных типов взаимодействий бактерий и глинистых минералов определяется Первым биогеохимическим принципом, сформулированным В.И. Вернадским.

Ключевые слова: микроорганизмы, иммобилизация бактерий на глинах, биологическое выветривание, трансформация и синтез глинистых минералов, средообразующая роль филлосиликатов

Список литературы

  1. Астафьева М.М., Розанов А.Ю. (2010) Древнейшие коры выветривания (на примере Карелии) и микрофоссилии. Палеопочвы и индикаторы континентального выветривания в истории биосферы (Под ред. Рожнов С.В., Демкин В.А.). М.: ПИН РАН, 10-22.

  2. Астафьева М.М., Герасименко Л.М., Гептнер А.Р. и др. (2011) Ископаемые бактерии и другие микроорганизмы в земных породах и астроматериалах. М.: ПИН РАН, 172 с.

  3. Бочарникова Е.А., Матыченков В.В., Погорелов А.Г. (2011) Сравнительная характеристика некоторых кремниевых удобрений. Агрохимия. (11), 25-30.

  4. Вернадский В.И. (1980) Проблемы биогеохимии. Труды биогеохимическои лаборатории. Т. 16. М.: Наука, 320 с.

  5. Вернадский В.И. (1992) Труды по биогеохимии и геохимии почв. М.: Наука, 434 с.

  6. Дерягин Б.В., Ландау Л.Д. (1941) Теория устойчивости сильно заряженных лиофобных золей и слипания сильно заряженных частиц в растворах электролитов. ЖЭТФ. 11(2), 802-821.

  7. Добровольский Г.В., Бабьева И.П., Богатырев Л.Г. и др. (2003) Структурно-функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере. М.: Наука, 364 с.

  8. Захаров С.А. (1927) Курс почвоведения. М.: Госиздат, 440 с.

  9. Зубкова Т.А., Карпачевский Л.О. (2001) Матричная организация почв. М.: РУСАКИ, 296 с.

  10. Ильина Т.С., Романова Ю.М. (2021) Бактериальные биопленки: роль в хронических инфекционных процессах и поиск средств борьбы с ними. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 39(2), 14-24.

  11. Молодкина Л.М. (2010) Коллоидная химия в сфере безопасности водных систем. СанктПетербург: Издательство Политехнического университета, 205 с.

  12. Наймарк Е.Б., Ерощев-Шак В.А., Чижикова Н.П., Компанцева Е.И. (2009) Взаимодействие глинистых минералов с микроорганизмами: обзор экспериментальных данных. Журн. общ. биол. 70(2), 155-167.

  13. Переломов Л.В., Переломова И.В., Пинский Д.Л. (2013) Молекулярные механизмы взаимодействия между микроэлементами и микроорганизмами в биокосных системах (биосорбция и биоаккумуляция). Агрохимия, (3), 80-94.

  14. Роде А.А. (2008) Теоретические проблемы почвоведения и вопросы генезиса почв. Избранные Труды. М.: Почвенный ин-т им. В. В. Докучаева Россельхозакадемии, Т. 1, 244 с.

  15. Розанов А.Ю. (2003) Ископаемые бактерии, седиментогенез и ранние стадии эволюции биосферы. Палеонтол. журн. (6), 41-49.

  16. Самылина О.С., Жегалло Е.А., Астафьева М.М., Розанов А.Ю., Зайцева Л.В., Авдонин В.В., Ривкина Е.М., Карпов Г.А., Сергеева Н.Е. (2002) Бактериальная палеонтология. М.: ПИН РАН, 188 с.

  17. Ферсман А.Е. Жизненный путь академика Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945) (1946). Записки Всероссийского минералогического общества. 75(1), 5-24.

  18. Alimova A., Katz A., Steiner N., Rudolph E., Wei H., Steiner J.C., Gottlieb P. (2009) Bacteria-clay interaction: Structural changes in smectite induced during biofilm formation. Clays Clay Miner. 57, 205-212.

  19. An Y.H., Friedman R.J. (1997) Laboratory methods for studies of bacterial adhesion. J. Microbiol. Meth. 30, 141-152.

  20. Balland C., Poszwa A., Leyval C., Mustin C. (2010) Dissolution rates of phyllosilicates as a function of bacterial metabolic diversity. Geochim. Cosmochim. Acta. 74(19), 5478-5493.

  21. Bejarano A., Sauer U., Mitter B., Preininger C. (2017). Parameters influencing adsorption of Paraburkholderia phytofirmans PsJN onto bentonite, silica and talc for microbial inoculants. Appl. Clay Sci. 141, 138-145.

  22. Burgstaller W., Schinner F. (1993) Leaching of metals with fungi. J. Biotechnol. 27, 91-116.

  23. Carson J.K., Rooney D., Gleeson D.B., Clipson N. (2007) Altering the mineral composition of soil causes a shift in microbial community structure. FEMS Microbiol. Ecol. 61, 414-423.

  24. Chaerun S.K., Tazaki K., Asada R., Kogure K. (2005) Interaction between clay minerals and hydrocarbon-utilizing indigenous microorganisms in high concentrations of heavy oil: Implications for bioremediation. Clay Miner. 40, 105-114.

  25. Chang Y.I., Chang P.K. (2002) The role of hydration force on the stability of the suspension of Saccharomyces cerevisiae – application of the extended DLVO theory. Colloids Surf. A.: Physicochem. Eng. Aspects. 211, 67-77.

  26. Chobotarov A.Y., Gordienko A.S., Kurdish I.K. (2010) Influence of natural minerals on growth of Azotobacter vinelandii IMV B-7076. Microbiol. J. 72, 27-31.

  27. Cuadros J. (2017) Clay minerals interaction with microorganisms: A review. Clay Miner. 52(2), 235-261.

  28. Dalton H.M., March P.E. (1998) Molecular genetics of bacterial attachment and biofouling. Curr. Opin. Biotechnol. 9, 252-513.

  29. De Weger L.A, van der Vlugt C., Wijfjes A.H.M. et al. (1987) Flagella of a plant-growth-stimulating Pseudomonas fluorescens strain are required for colonization of potato roots. J Bacteriol. 169, 2769-73.

  30. Dong H. (2012) Clay-microbe interactions and implications for environmental mitigation. Elements. 8, 113-118.

  31. Dröge M., Pühler A.W., Selbitschka W. (1999) Horizontal gene transfer among bacteria in terrestrial and aquatic habitats as assessed by microcosm and field studies. Biol. Fertil. Soils. 29, 221-245.

  32. Ehrlich H.L., Newman D.K., Kappler A. (2015) Geomicrobiology. Sixth Edition. CRC Press, 668 p.

  33. Fiore S., Dumontet S., Huertas F.J., Pasquale V. (2011). Bacteria-induced crystallization of kaolinite. Appl. Clay Sci. 53(4), 566-571.

  34. Fomina M., Skorochod I. (2020) Microbial interaction with clay minerals and its environmental and biotechnological implications. Minerals. 10, 861.

  35. Gadd G., Burford E., Fomina M., Melville K. (2007) Mineral transformations and biogeochemical cycles: A geomycological perspective. In Fungi in the environment (Eds. Gadd G., Dyer P., Watkinson S.). Cambridge: Cambridge University Press, 78-111.

  36. Gadd G.M. (2010) Metals, minerals and microbes: Geomicrobiology and bioremediation. Microbiology. 156, 609-643.

  37. Gallardo-Moreno A.M., Gonzalez-Martin M.L., Perez-Giraldo C., et al. (2002) The measurement temperature: an important factor relating physicochemical and adhesive properties of yeast cells to biomaterials. J. Colloid Interf. Sci. 271, 351-358.

  38. Ganesh C.K., Anand S.K. (1998) Significance of microbial biofilms in food industry a review. Int. J. Food Microbiol. 42, 9-27

  39. Garrett T.R., Bhakoo M., Zhang Z. (2008). Bacterial adhesion and biofilms on surfaces. Prog. Nat. Sci.: Mater. Int. 18(9), 1049-1056.

  40. Gaylarde P., Gaylarde C. (2004). Deterioration of siliceous stone monuments in Latin America: Microorganisms and mechanisms. Corros. Rev. 22(5–6), 395-416.

  41. Globa L.I., Gordienko A.S., Garbara S.V., Rotmistrov M.N. (1983) Bacterial interaction with natural Cherkassy palygorskite at dierent pH values of the medium. Microbiol. J. 45, 22-26.

  42. Gottenbos B., van der Mei H.C., Busscher H.J. (2000) Initial adhesion and surface growth of Staphylococcus epidermidis and Pseudomonas aeruginosa on biomedical polymers. J. Biomed. Mater. Res. 50, 208-214

  43. Grybos M., Billard P., Desobry-Banon S., Michot L.J., Lenain J.F., Mustin C. (2011) Bio-dissolution of colloidal-size clay minerals entrapped in microporous silica gels. J. Colloid Interface Sci. 362(2), 317-324.

  44. Herrmann L., Anongrak N., Zarei M., Schuler U., Spohrer K. (2007). Factors and processes of gibbsite formation in Northern Thailand. Catena. 71, 279-291.

  45. Karaguler T., Kahraman H., Tuter M. (2017). Analyzing effects of ELF electromagnetic fields on removing bacterial biofilm. Biocybern. Biomed. Eng. 37(2), 336-340.

  46. Katsikogianni M., Missirlis Y.F. (2004) Concise review of mechanisms of bacterial adhesion to biomaterials and of techniques used in estimating bacteria-material interactions. Eur. Cell. Mater. 8, 37-57.

  47. Kawano M., Tomita K. (2001) Microbial biomineralization in weathered volcanic ash deposit and formation of biogenic minerals by experimental incubation. Am. Mineral. 86, 400-410.

  48. Kirov S.M. (2003) Bacteria that express lateral fragella enable dissection of the multifunctional roles of fragella in pathogenesis. FEMS Microbiol Let. 224, 151-159.

  49. Kompantseva E.I., Naimark E.B., Boeva N.M., Zhukhlistov A.P., Novikov V.M., Nikitina N.S. (2013). Interaction of anoxygenic phototrophic bacteria Rhodopseudomonas sp. with kaolinite. Microbiology. 82(3), 316-326.

  50. Konhauser K.O., Fyfe W.S., Ferris F.G., Beveridge T.J. (1993) Metal sorption and mineral precipitation by bacteria in two Amazonian river systems: Rio Solimoes and Rio Negro, Brazil. Geology. 21, 1103-1106.

  51. Konhauser K.O., Urrutia M.M. (1999) Bacterial clay authigenesis: a common biogeochemical process. Chem. Geol. 161, 399-413.

  52. Kumar R., Kumar A. (1999) Biodeterioration of stone in tropical environments: An overview. Madison: The J. Paul Getty Trust, 85 p.

  53. Kurdish I.K., Bega Z.T. (2006) Effect of argillaceous minerals on growth of phosphate-mobilizing bacteria Bacillus subtilis. Appl. Biochem. Microbiol. 42, 388-391.

  54. Li G.L., Zhou C.H., Fiore S., Yu W.H. (2019) Interactions between microorganisms and clay minerals: New insights and broader applications. Appl. Clay Sci. 177, 91-113.

  55. Linares J., Huertas F. (1971). Kaolinite synthesis at room temperature. Science. 171, 896-897.

  56. Liu D., Dong H., Wang H., Zhao L. (2015) Low-temperature feldspar and illite formation through bioreduction of Fe(III)-bearing smectite by an alkaliphilic bacterium. Chem. Geol. 406, 25-33.

  57. Liu W., Xu X., Wu X., Yang Q., Luo Y., Christie P. (2006). Decomposition of silicate minerals by Bacillus mucilaginosus in liquid culture. Environ. Geochem. Health. 28(1–2), 133-140.

  58. Liu Y., Yang S., Xu H. et al. (2004) The influence of cell and substratum surface hydrophobicities on microbial attachment. J. Biotechnol. 110, 251-256.

  59. Lloyd J.R. (2003) Microbial reduction of metals and radionuclides. FEMS Microbiol. Rev. 27, 411-425.

  60. Maurice P.A, Vierkorn M.A., Hersman L.E., Fulghum J.E. (2001) Dissolution of well and poorly ordered kaolinites by an aerobic bacterium. Chem. Geol. 180, 81-97.

  61. Mishra D., Rhee Y.H. (2014) Microbial leaching of metals from solid industrial wastes. J. Microbiol. 52, 1-7.

  62. Mueller B. (2015) Experimental interactions between clay minerals and bacteria: a review. Pedosphere. 25(6), 799-810.

  63. Novitzky J.A. (1986) Degradation of dead microbial biomass in a marine sediment. Appl. Environ. Microbiol. 52, 504-509.

  64. Oulkadi D., Ballandboloubi C., Billard P., Kitzinger G., Parrello D., Mustin C., Banon S. (2014). Interactions of three soil bacteria species with phyllosilicate surfaces in hybrid silica gels. FEMS Microbiol. Lett. 354(1), 37-45.

  65. Palanisamy N.K., Ferina N., Amirulhusni A.N. et al. (2014) Antibiofilm properties of chemically synthesized silver nanoparticles found against Pseudomonas aeruginosa. J. Nanobiotechnol. 12, 2.

  66. Pasket A., Zhang H., Wang Y., Krzmarzick M., Gustafson J.E., Deng S. (2022) Clay content played a key role governing sorption of ciprofloxacin in soil. Front. Soil Sci. 2:814924.

  67. Perelomov L., Mandzhieva S., Minkina T., Atroshchenko Y., Perelomova I., Bauer T., Pinsky D., Barakhov A. (2021) The synthesis of organoclays based on clay minerals with different structural expansion capacities. Minerals. 11, 707.

  68. Pokrovsky O.S., Martinez R., Golubev S., Kompantseva E., Shirokova L. (2008). Adsorption of metals and protons on Gloeocapsa sp. cyanobacteria: a surface speciation approach. Appl. Geochem. 23, 2574-2588.

  69. Ransom B., Bennett R.H., Baerwald R., Hulbert M.H., Burkett P.J. (1999) In situ conditions and interactions between microbes and minerals in fine-grained marine sediments: A TEM microfabric perspective. Am. Mineral. 84, 183-192.

  70. Sand W., Bock E. (1991) Biodeterioration of mineral materials by microorganisms: Biogenic sulphuric and nitric-acid corrosion of concrete and natural stone. Geomicrobiol. J. 9, 129-138.

  71. Schippers A., Jozsa P.G., Sand W. (1996) Sulfur chemistry in bacterial leaching of pyrite. Appl. Environ. Microbiol. 62, 3424-3431

  72. Stotzky G. (1986) Influence of soil mineral colloids on metabolic processes, growth, adhesion, and ecology of microbes and viruses. In Interactions of Soil Minerals with Natural Organics and Microbes (Eds. Huang P.M., Schnitzer M.). Madison: Soil Science Society of America, 305-428.

  73. Tazaki K. (2005) Microbial formation of a halloysite-like mineral. Clays Clay Miner. 53, 224-233.

  74. Uroz S., Calvaruso C., Turpault M.P., Sarniguet A., De Boer W., Leveau J.H.J., Frey-Klett P. (2009) Efficient mineral weathering is a distinctive functional trait of the bacterial genus Collimonas. Soil Biol. Biochem. 41(10), 2178-2186.

  75. Van Loosdrecht M.C.M., Lyklema J., Norde W., Zehnder A.J.B. (1990) influence of interfaces on microbial activity. Microbiol. Rev. 54(1), 75-87.

  76. Verwey E.J. (1947) Theory of the stability of lyophobic colloids. J. Phys. Colloid. Chem. 51(3), 631-636.

  77. Vieira M.J., Melo L.F. (1995) Effect of clay particles on the behaviour of biofilms formed by Pseudomonas fluorescens. Water Sci. Technol. 32(8).

  78. Wu L., Jacobson A.D., Chen H.C., Hausner M. (2008). Characterization of elemental release during microbe-basalt interactions at T = 28°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 71(9), 2224-2239.

  79. Xiao B., Lian B., Sun L., Shao W. (2012) Gene transcription response to weathering of K-bearing minerals by Aspergillus fumigatus. Chem. Geol. 306–307, 1-9.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал