巖溶洞穴微生物沉積碳酸鈣研究及其環(huán)境意義.pdf

1、洞穴沉積物研究用于恢復(fù)重建相關(guān)地區(qū)吉?dú)夂颦h(huán)境，并探討過去、現(xiàn)在以及未來地球氣候變化趨勢是當(dāng)今巖溶洞穴研究的熱點(diǎn)，但是洞穴沉積物影響因素眾多，其同位素信息常存在異常分布難以解釋的現(xiàn)象。
　　為了解洞穴微生物沉積碳酸鈣作用對(duì)洞穴沉積物沉積過程的影響，本研究結(jié)合傳統(tǒng)生物學(xué)方法與現(xiàn)代分子學(xué)技術(shù)，采集貴州中西部地區(qū)四個(gè)巖溶洞穴沉積物表面的微生物樣品。利用B-4培養(yǎng)基對(duì)洞穴細(xì)菌進(jìn)行篩選和純化，分離出能沉積碳酸鈣的菌種。觀察和了解洞穴細(xì)菌形成的

2、CaCO3晶體，應(yīng)用X射線衍射分析儀(XRD)分析細(xì)菌形成的CaCO3晶體成分。并利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察晶體結(jié)構(gòu)特征，探討了洞穴微生物沉積碳酸鈣菌種的廣泛性及沉積作用的普遍性。
　　在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究微生物沉積作用對(duì)其生存環(huán)境的酸堿性、離子濃度、沉積量的影響，本研究從有現(xiàn)代監(jiān)測的石將軍洞進(jìn)行微生物的二次取樣。結(jié)合洞穴監(jiān)測數(shù)據(jù)和理化背景資料，利用B-4和B-4C培養(yǎng)基進(jìn)行了微生物沉積過程的理化條件分析。并進(jìn)一步模擬洞

3、穴滴水動(dòng)態(tài)過程研究微生物沉積碳酸鈣作用，結(jié)合洞穴原始沉積物的晶體形態(tài)特征及同位素信息，對(duì)微生物沉積碳酸鈣作用對(duì)原始洞穴沉積作用的影響做一探討。得出以下具體結(jié)論:
　　1.本研究為篩選沉積碳酸鈣菌種，從貴州中西部的巖溶洞穴中進(jìn)行了兩次微生物取樣。初次選擇四個(gè)巖溶洞穴進(jìn)行取樣，4個(gè)洞穴中都篩選到能沉積碳酸鈣的菌種，共篩選出31株單菌分離培養(yǎng)，其中12株表面產(chǎn)生大量的白色顆粒物或固體結(jié)晶。并對(duì)有現(xiàn)代監(jiān)測的石將軍洞進(jìn)行了二次取樣，篩選出1

4、8株能沉積碳酸鈣的菌種，且多個(gè)取樣點(diǎn)都存在編號(hào)為SJ J-8-7的同類菌種。經(jīng)菌種鑒定SJ J-8-7為諾卡氏菌屬，該菌屬廣泛存在于土壤中。菌株篩選結(jié)果表明，土壤微生物由裂隙水或管道水被帶入洞穴，且在洞穴中廣泛存在，對(duì)洞穴沉積過程產(chǎn)生影響。
　　2.菌種篩選和模擬試驗(yàn)后，對(duì)微生物沉積碳酸鈣的晶體形態(tài)、元素、晶型等進(jìn)行分析。XRD結(jié)果顯示:在無Mg2+的B-4培養(yǎng)體系中主要以方解石、球霰石或者二者的混合為主，而在同時(shí)添加了Mg2+和

5、Ca2+的B-4C及D-4體系主要以方解石的形式存在。此外，石將軍洞3個(gè)微生物取樣點(diǎn)處的次生沉積物除方解石外，存在文石晶體。但本研究中未見文石晶體，也未見其他形式的碳酸鈣沉積物。元素分析顯示，與洞穴取樣點(diǎn)原始沉積物一致，微生物沉積物主要以C、O和Ca為主，未見Mg。這表明Mg2+的存在可能更利于微生物沉積環(huán)境的穩(wěn)定從而形成了方解石這種穩(wěn)定相的碳酸鈣晶體形態(tài)，較低的Mg/Ca比值如本研究中1∶2條件下微生物并不會(huì)沉積文石晶體，微生物沉積文

6、石的機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。
　　3.模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微生物通過改變自身生存環(huán)境的Ca2+濃度、pH等促進(jìn)沉積作用的發(fā)生。隨著細(xì)菌的生長繁殖，細(xì)菌培養(yǎng)液pH值逐漸增大并趨于穩(wěn)定，pH值的增幅越大沉積量也相對(duì)越多，同時(shí)，培養(yǎng)體系Ca2+濃度顯著下降。這種高幅度改變實(shí)驗(yàn)體系的酸堿度，與微生物通過代謝活動(dòng)大幅度提高所處環(huán)境pH值以便Ca2+達(dá)到飽和狀態(tài)從而排除細(xì)菌生理性的毒性壓力有關(guān)。
　　4.洞穴微生物中沉積碳酸鈣的不同菌種可能對(duì)實(shí)

7、驗(yàn)體系的穩(wěn)定性擾動(dòng)程度不同，而且這種擾動(dòng)程度反應(yīng)在對(duì)各理化性質(zhì)的改變幅度，最終對(duì)形成的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用。本研究中微生物沉積碳酸鈣晶型眾多，其中大部分是多見于生物作用形成的碳酸鈣形態(tài)，如柱狀體、鞋狀、桿狀、六邊形、四方體層狀、斜六方體、半球狀以及幾何與半球結(jié)合形態(tài)，這些晶型較少見于化學(xué)作用體系。同時(shí)，眾多晶體結(jié)構(gòu)中都存在類細(xì)菌形態(tài)和大小的孔洞，晶體中微生物作用痕跡明顯，微生物作用貫穿于整個(gè)沉積過程。微生物沉積碳酸鈣晶體的這種特殊形態(tài)可成為

8、地質(zhì)研究中區(qū)分微生物成因與非微生物成因的碳酸鈣沉積的重要依據(jù)。
　　5.碳同位素分析表明，模擬體系細(xì)菌沉積物的δ13CPDB相對(duì)于洞穴次生沉積物的δ13CPDB偏負(fù)趨勢較大，其均值相差-16.814‰，微生物沉積碳酸鈣可能會(huì)具有更為負(fù)偏的碳同位素。此外，靜置條件下微生物沉積物較動(dòng)態(tài)模擬條件下微生物沉積物δ13CPDB偏重10‰左右，這可能與菌種自身對(duì)實(shí)驗(yàn)體系的擾動(dòng)性不同密切相關(guān)，即實(shí)驗(yàn)體系越不穩(wěn)定，微生物沉積碳酸鈣碳同位素則越負(fù)偏