離子吸附型稀土礦床主要發(fā)育于富含稀土元素的花崗巖風(fēng)化殼中。風(fēng)化過程中稀土元素的活化、遷移和再富集是形成此類礦床至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。盡管越來越多的研究已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，微生物和其他地球化學(xué)因素共同控制著風(fēng)化過程中的稀土元素地球化學(xué)行為，但具體的微生物效應(yīng)及作用機(jī)制仍未明晰。為了探究微生物對(duì)花崗巖風(fēng)化過程中稀土元素活化和分異的影響，以及了解微生物對(duì)離子吸附型稀土礦床成礦的潛在貢獻(xiàn)，中國(guó)科學(xué)院廣州分院系統(tǒng)研究所廣州地球化學(xué)研究所何宏平研究員團(tuán)隊(duì)利用江西省大埠離子吸附型稀土礦床的花崗巖基巖和礦床風(fēng)化殼中的野生微生物菌株開展了微生物溶解花崗巖的實(shí)驗(yàn)研究。
圖1. 30天反應(yīng)結(jié)束時(shí)不同反應(yīng)條件下溶液中的稀土元素濃度
研究發(fā)現(xiàn)，在常溫常壓及寡營(yíng)養(yǎng)條件下，實(shí)驗(yàn)菌株均能顯著促進(jìn)花崗巖中稀土元素的活化。30天反應(yīng)結(jié)束時(shí)，微生物將總稀土元素表觀溶解量提升約4-21倍（圖1）。而在實(shí)際反應(yīng)過程中，部分溶解的稀土元素會(huì)被微生物細(xì)胞和胞外代謝物再次吸附固定，這使得稀土元素的表觀溶出率被降低約25%-82%。微生物生長(zhǎng)代謝導(dǎo)致溶液酸化并分泌豐富的小分子有機(jī)酸，從而對(duì)花崗巖溶解產(chǎn)生積極影響。在實(shí)驗(yàn)菌株溶解花崗巖的過程中，溶液pH在弱酸性至近中性范圍內(nèi)。此條件下，有機(jī)酸配體的絡(luò)合作用是微生物促進(jìn)稀土元素釋放的主導(dǎo)機(jī)制（圖2）。
圖2. (A) 鹽酸和 (B) 有機(jī)酸 (pH 6) 作用下花崗巖中稀土元素的溶出量
花崗巖溶解過程中的稀土元素分異主要受稀土元素賦存礦物的物理化學(xué)性質(zhì)的制約，但同時(shí)也受微生物作用的影響（圖3）。在花崗巖溶解的初始階段，抗風(fēng)化能力弱的氟碳鈣鈰礦和氟碳鈣釔礦優(yōu)先溶解，導(dǎo)致不同反應(yīng)條件下輕稀土和中稀土元素均具有較高的溶出率（圖3）。微生物分泌的小分子有機(jī)酸與不同稀土元素的絡(luò)合穩(wěn)定性差異也是影響稀土元素分異的重要因素。實(shí)驗(yàn)使用的兩株芽孢桿菌分泌的豐富有機(jī)酸，尤其是蘋果酸和酒石酸，可能是導(dǎo)致花崗巖溶解過程中稀土和重稀土元素優(yōu)先釋放的關(guān)鍵（圖3和4）。
以上認(rèn)識(shí)為理解離子吸附型稀土礦床成礦生物地球化學(xué)過程提供了新視角。
圖3. 不同菌株作用下反應(yīng)30天花崗巖中稀土元素的溶出率
圖4. pH 6有機(jī)酸（A）和鹽酸（B）溶液溶解花崗巖的稀土元素的溶出率
該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFC2901701）和中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(IGGCAS-201901)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。相關(guān)研究成果近期在線發(fā)表于Geochimica et Cosmochimica Acta期刊。
論文信息：Yilin He (賀依琳), Lingya Ma (馬靈涯), Xurui Li (李旭銳), Heng Wang (王珩), Xiaoliang Liang (梁曉亮), Jianxi Zhu (朱建喜), Hongping He*(何宏平), 2023. Mobilization and fractionation of rare earth elements during experimental bio-weathering of granites. Geochimica et Cosmochimica Acta 343, 384-395.
附件下載：