微生物-硅酸盐-碳酸盐矿物相互作用及对碳循环的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 姚敏杰 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 连宾 |
| 关键词 | 胶质芽孢杆菌 硅酸盐矿物 碳酸盐矿物 风化作用 碳循环 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 微生物可以通过代谢产酸促进硅酸盐和碳酸盐矿物风化释放CO2，也可以在陆地和水环境中形成碳酸盐矿物而固定CO2，无论从无机碳还是从有机碳角度，研究微生物对碳循环的驱动作用均有助于正确认识微生物与碳循环的关系，从而为碳循环的生物地球化学过程与地球表层环境演化的关系提供新的素材，因而具有重要研究价值。本文主要研究微生物-硅酸盐-碳酸盐矿物三者之间的相互作用及其对碳循环的影响，通过设置纯水和灭菌对照，以及不同养分条件和添加不同矿物含量等，对比研究细菌-硅酸盐-碳酸盐矿物相互作用及对碳循环的影响。通过测定试样的pH值、电导率、碳酸酐酶（CA）活性、释放的元素、代谢产物、微观形态观察和矿物晶体结构等参数综合分析细菌与矿物之间的相互作用；通过检测乙酸、5-羟甲基糠醛、2-羟基丁酸酮、乙酸甲酯和丁酸甲酯含量，探讨细菌风化矿物的作用机理；结合试样中HCO3-浓度、CO2饱和指数（SICO2）和矿物饱和指数等分析细菌-硅酸盐-碳酸盐矿物相互作用对碳循环的影响，为碳素微生物固定提供新的研究思路和基础资料。主要研究成果如下：1. 胶质芽孢杆菌-蛇纹石-方解石相互作用研究：在不同养分条件下，有N培养基中细菌风化矿物的作用程度远大于无N培养基中细菌对矿物的作用。无N培养基试样的pH值平均为7.44，而有N培养基试样的pH值平均为6.19，分析结果表明细菌可以通过分泌酸性有机物对矿物进行风化作用，如在有N培养基中分泌含量较高的乙酸对矿物产生酸溶作用。研究发现，适量方解石的添加有利于细菌对蛇纹石的风化，而添加一定量的蛇纹石也能促进细菌对方解石的风化，这些风化作用与细菌的酸溶作用及分泌的CA活性密切相关。矿物形态观察分析表明，细菌和矿物之间可以形成细菌-矿物复合体并导致细菌对矿物的风化，矿物组成分析表明矿物晶体结构已被细菌溶蚀破坏，研究结果显示细菌在蛇纹石和方解石矿物风化过程中发挥重要作用。2. 胶质芽孢杆菌-蛇纹石-方解石相互作用机理及对碳循环的影响研究：细菌在有N培养基中生长能产生高浓度的乙酸，最高达4384mg/L，说明该菌主要是通过分泌乙酸对矿物进行风化；而细菌在无N培养基中产生乙酸量少得多，最高为12.98mg/L，进一步实验表明，在无N培养基中细菌可通过分泌少量乙酸和丁酸酮等有机物质对矿物进行风化作用。说明酸溶作用无论在有氮和无氮条件下均对矿物风化起重要作用。由于试样HCO3-浓度的高低直接影响试样SICO2的大小，细菌作用矿物试样SICO2升高，说明在细菌风化蛇纹石和方解石的作用过程中试样溶液中CO2的量增大。水化学分析结果显示，试样中纤维蛇纹石、海泡石、云母、羟基磷灰石等矿物的风化和文石、方解石、白云石、菱锰矿、菱铁矿等碳酸盐矿物的生成趋势与试样SICO2升高密切相关，硅酸盐和碳酸盐矿物的风化以及碳酸盐矿物的形成都会吸收CO2。这些结果为碳素微生物固定研究提供新的思路和理论依据。3. 胶质芽孢杆菌-钾长石-方解石相互作用研究：与对照相比，细菌作用组pH值明显降低，释放的Ca2+浓度是对照组试样的16-20倍。有机代谢产物分析表明，细菌在风化钾长石和方解石矿物过程中产生了乙酸、乙酸甲酯、异丁酸和2-甲基丁酸等有机物，它们可对矿物进行风化作用。细菌对钾长石的风化作用程度较小，有N培养基条件和方解石的添加会促进细菌对钾长石的风化作用，这与试样中细菌分泌的CA活性有关，而细菌分泌的CA活性大小与细菌数量也密切相关。与细菌-蛇纹石-方解石试样的CA活性相比，细菌-钾长石-方解石试样的CA活性要低的多，反映了细菌在矿质营养较丰富的环境中生长较旺盛。细菌作用方解石较容易，其次是对蛇纹石的作用，细菌作用钾长石最困难。研究发现，适量的矿物养分会改变细菌的生长繁殖状况，导致试样pH值升高，易于微生物成矿作用。细菌易在钾长石表面附着，细菌在对钾长石和方解石矿物的作用过程中同时存在微生物风化矿物和微生物诱导成矿作用，体现了细菌与矿物相互作用之间的复杂关系。4. 胶质芽孢杆菌-钾长石-方解石相互作用机理及对碳循环的影响研究：有N培养基利于细菌-钾长石-方解石试样产生乙酸，无N培养基不利于细菌-钾长石-方解石试样产生乙酸。有N培养基中细菌-蛇纹石-方解石试样分泌的乙酸含量大约是细菌-钾长石-方解石试样分泌乙酸含量的5倍，说明矿物质养分丰富有利于细菌分泌乙酸。相对离子钾源（KCl），钾长石更能促进细菌产生CA活性，过多的K+会抑制CA活性。随着试样pH值的增加HCO3-浓度也会增加，试样SICO2也相应较大。试样SICO2升高同样体现了细菌风化钾长石和方解石作用过程试样溶液CO2的量增大。适量的矿物组成有利于细菌诱导生成次生矿物。水化学分析结果显示部分硅酸盐矿物在细菌及其分泌物的作用下进行风化作用，在细菌-钾长石-方解石相互作用试样中有形成碳酸盐矿物的趋势。硅酸盐和碳酸盐矿物的风化作用会吸收CO2，碳酸盐矿物的形成也需要吸收部分CO2，而细菌在碳素固定过程中起重要作用。综上所述，微生物-硅酸盐-碳酸盐矿物相互作用影响碳素循环，其中微生物起着非常重要的作用。该研究不仅发现了部分“遗漏的汇”，为完善碳循环模型作贡献，还有助于正确认识微生物生物地球化学过程对全球碳循环的贡献。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2002-01-05 |
| 源URL | [http://119.78.100.189/handle/352002/4634]  |
| 专题 | 地球化学研究所_研究生_研究生_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 姚敏杰. 微生物-硅酸盐-碳酸盐矿物相互作用及对碳循环的影响[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：地球化学研究所
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