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第 31 卷 第 4 期 2012 年 7 月 岩 石 矿 物 学 杂 志 ACTA PETROLOGICA ET MINERALOGICA Vol. 31, No. 4 627 632 July, 2012 环境矿物学 梭菌 SN -1 菌株参与下形成的碳酸盐矿物组合及 其主要矿物成分的动态变化 王金平1, 李福春1, 郭文文1, 汪 君2, 刘铭艳2, 王 果2 1. 南京农业大学 资源与环境科学学院, 江苏 南京 210095; 2. 中国核工业集团 216大队, 新疆 乌鲁木齐 830011 摘 要 在 Mg/ Ca 比值为 6 的 Lagoa Vermelha 改良培养基中, 对分离自青海湖湖底沉积物的梭菌 Clostridium sp. 进行了为期 100 d 的碳酸盐矿物培养实验, 同时还完成了一组无菌对照实验。利用 X 射线衍射仪 XRD和扫描电子 显微镜 SEM 分别对矿物成分和形态进行了测定和观察。实验结果表明 细菌培养实验的沉淀物数量始终多于无 菌对照实验; 在梭菌 SN -1菌株作用下形成的碳酸盐矿物组合的变化趋势是方解石y 方解石 单水碳钙石y 单水碳 钙石 方解石y 单水碳钙石, 而无菌对照实验产物中矿物的演化方向是单水碳钙石 方解石 y 方解石 单水碳钙 石; 在综合分析 SEM 和 XRD 观测结果的基础上, 推测哑铃状矿物可能是高镁方解石, 而球状矿物可能是单水碳钙 石。 关键词 梭菌; 方解石; 单水碳钙石; 哑铃状; 动态变化 中图分类号 P578. 6; P579 文献标识码 A 文章编号 1000 -6524 2012 04 -0627 -06 The temporal changes of carbonate mineral assemblages ed by Clostridium sp. SN -1 strain and their main mineral composition WANG Jin -ping1, LI Fu -chun1, GUO Wen -wen1, WANG Jun2, LIU Ming -yan2and WANG Guo2 1. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2. No. 216 Geological Party, China National Nuclear Corporation, Urumqi 830011, China Abstract Culture experiments of carbonate mineral using Lagoa Vermelha improved medium with 6B1 molar ra - tio of Mg/ Ca within 100 days were conducted under the mediation of Clostridium sp. SN-1 strain isolated from sediments in the Qinghai Lake. At the same time, aseptic experiments were carried out as the control. Mineral species and morphologies were determined by X -ray diffraction XRD and scanning electron microscopy SEM , respectively. The results showed that The quantities of sediments in bacterial culture experiments were always more than those in the control ones. The change trend of carbonate mineral assemblages ed in Clostridium sp. SN -1 strain culture was calcite y calcite and monohydrocalcite ymonohydrocalcite and ca- l cite ymonohydrocalcite, while in the control experiments the change trend was monohydrocalcite and calcitey calcite and monohydrocalcite; Based on comprehensive analysis of SEM and XRD, the authors considered that dumbbel- l shaped minerals might be high -magnesium calcite, while spherical minerals might be monohydrocalcite. Key words Clostridium sp. ; calcite; monohydrocalcite; dumbbell; temporal change 收稿日期 2012 -03 -20; 修订日期 2012 -06 -04 基金项目 国家自然科学基金资助项目 41172308, 40930738 ; 江苏高校优势学科建设工程资助项目 作者简介 王金平 1984 - , 女, 汉, 硕士研究生, 生态学专业, E -mail wangjp9082 163. com; 通讯作者 李福春, E -mail fchlinjau. edu. cn。 微生物诱导/ 控制矿物形成的历史可以追溯到 遥远的地质年代, 如前寒武纪形成的大规模叠层石、 富铁建造等都可能与微生物作用有关 Altermann et al. , 2006 。基于微生物对成岩作用影响的广泛性, Burne 和 Moore 提出了微生物岩 microbialite 的概 念, 用来描述由底栖微生物的生理活动而形成的生 物沉积岩, 主要是微生物碳酸盐岩, 包括叠层石、 凝 块石、 树形石等 Burne and Moore, 1987 。近年来, 对于碳酸盐微生物矿化问题的研究出现了新的趋 势, 即由单一研究天然样品转向天然样品和实验室 模拟的全方位研究, 研究目的主要是希望在白云石 成因、 地外生命的探寻等重大科学问题上寻求突破。 在微生物促进碳酸盐矿物的形成实验研究方 面, 已经有多种矿物组合被报道。碳酸钙体系的矿 物组合有方解石 Martinez et al. , 2010 、 方解石 文石 Buczynski et al. , 1991 、 方解石 球霰石、 方 解石 非晶态碳酸钙 Hou et al. , 2011 、 单水碳钙 石 Rivadeneyra et al. , 1998 等; 碳酸钙 -镁体系的 矿物组合有白云石 含镁方解石 Roberts et al. , 2004; Wright et al. ,2005;Warthmann et al. , 2005 、 白云石 水菱镁矿 S‚ nchez -Rom‚ n et al. , 2009 、 白云石 含镁方解石 水菱镁矿 碳酸钙镁 石 S‚ nchez -Rom‚ n et al . , 2011 、 含镁方解石 李福 春等, 2011 、 方解石 单水碳钙石 马恒等, 2009; 苏宁等, 2010; 郭文文等, 2012 等。 一些实验结果证明, 许多微生物具有促进碳酸 盐矿物形成的能力 Boquet et al. , 1973; Sanchez - Moral et al. , 2003; 李福春等, 2011 , 某些硫酸盐 还原细菌甚至可以诱导形成白云石 Warthmann et al. , 2005 。但对于微生物作用下碳酸盐矿物形成 的过程目前却知之甚少。最近几年, 作者所在课题 组在 CaCO3-MgCO3体系的实验过程中发现, 细菌参 与下形成的碳酸盐矿物主要是镁含量不同的方解石 和单水碳钙石, 它们具有多种形态, 如棒状、 哑铃状、 花菜状、 球状等 马恒等, 2009; 苏宁等, 2010; 李福 春等, 2011; 郭文文等, 2012 。研究者还认为这些 形态之间具有递进式的演化关系, 可能的演化方向 是棒状 y 哑铃状 y 光球 状 y 刺 球状 马 恒等, 2009 。上述研究结果大体勾勒出了微生物作用下 碳酸盐矿物形态演化的方向, 尽管还存在许多不甚 清楚或不太确定之处。但到目前为止, 对矿物组合 及其矿物成分的演化过程还未详细探讨。一般认 为, 单水碳钙石在热力学上是亚稳定态物质, 在纯化 学体系中较少存在。然而, 在作者所在课题组完成 的微生物实验产物中经常出现单水碳钙石, 目前尚 不清楚该矿物相的形成是否具有规律性。本文利用 从青海湖湖底沉积物中分离的一株梭菌 SN-1 进行 了一系列培养实验, 试图揭示在细菌参与下形成的 碳酸盐矿物组合及其主要矿物成分的动态变化规 律。 1 材料和方法 1. 1 培养基成分 实验所用培养基为经过改良的 Lagoa Vermelha 巴西一泻湖的名称, 简称 LV 培养基。1 L 液体培 养基中含有 KH2PO401019 g, MgSO47 H2O 2146 g,MgCl26 H2O 14121 g, CaCl22 H2O 1191 g, KCl 015 g, NH4Cl 0125 g, 酵母浸提膏 0115 g, 乳酸钠溶 液 50 60 6 mL, Na2S9 H2O 015 g, NaHCO3 7145 g, Na2CO31 g, FeCl24 H2O 118 g/ L 1 mL, 生 物素 1010 mg/ 10010 mL 015 mL。培养基的配制 过程见文献 苏宁等, 2010 。 1. 2 菌株特征 SN -1 菌株 NCBI 上的登录号为 JF504704 分离 自青海湖湖底沉积物, 其基本特征为 菌体为杆状, 长 112 214 Lm, 直径 015 018 Lm, 厌氧生长, 在 LV 固体培养基上形成白色隆起菌落; 菌落表面光 滑, 边缘整齐, 革兰氏染色呈阳性, 可见鞭毛。16S rRNA 基因测序结果显示, 菌株 SN -1 属于梭菌属 Clostridium sp. 李福春等, 2011 。 1. 3 培养实验方法 利用血细胞计数板法对母液中菌数进行测定。 向一系列已加入 100 mL 液体培养基的小注射瓶中 加入一定量的母液, 使细菌初始浓度达到 2 106 cfu/ mL。然后, 将小注射瓶充满氮气, 用石蜡封口, 在 30e 条件下静置培养。除离心和充氮气外, 其他 实验操作均在无菌操作台上进行, 时间最长的实验 为 100 d。在前 15 d, 每培养 1 d 结束 1 个实验; 在第 15 50 d, 每培养 5 d 结束 1 个实验; 在第 60 100 d, 每培养 10 d 结束 1 个实验, 并对继续培养的样品 充氮气, 以排除微生物所产生的代谢气体并使其保 持相对厌氧的环境。充氮气后用石蜡将针孔及其整 个瓶盖封住。实验结束后, 用离心法将固相和液相 产物分离, 测定固相产物质量。设若干无菌实验作 为对照, 对照实验与细菌实验不同之处在于不接菌 628 岩 石 矿 物 学 杂 志 第 31卷 种, 不充氮气。 1. 4 观察和测定方法 利用 XRD 测定矿物成分。制样方法 将收集到 的固相产物用蒸馏水清洗 3 次, 自然风干后将其研 磨至 200 目以下, 制成混浊液后均匀地涂在载玻片 上, 待自然风干后测定。测定条件为 铜靶, 管压 35 kV, 管流 20 mA, 步长 0102b, 积分时间 012b/ min, 扫 描范围 10b 60b。 利用 SEM 观察矿物微观形态并用 EDS 对其化 学成分进行测定。制样方法 将收集到的固相产物 用蒸馏水清洗 3 次, 自然风干, 取适量固相产物固定 在样品台上, 上机前喷上约 8 nm 厚金膜即可进行观 察。观察和测定条件为 工作电压 20 kV, 电子束流 60 mA。 2 实验结果与讨论 2. 1 细菌浓度及其导致的 pH 值变化 培养基中细菌的初始浓度为 012 107cfu/ mL。 培养至第 7 d 时, 细菌浓度达到最大值 4155 107cfu /mL, 此后逐渐降低。到第 100 d 实验结束时为 0116 107cfu/ mL, 与初始浓度接近。在细菌的对数 生长期, 培养基的 pH 值变化于 7127 7146 之间。 对数生长期结束后, pH 值呈现逐渐升高的趋势, 在 第 90 d 时达到最高 7168 图 1 。在实验初期 0 15 d , 培养基的 pH 值由以下几个过程共同控制 细菌分泌低分子量有机酸; 细菌还原[ SO4] 2- , 消 耗H; 细菌新陈代谢产生的 CO2和 NH3反应会 图 1 培养液中细菌浓度和 pH 值的动态变化 Fig. 1 Temporal change of bacteria concentration and pH value in culture medium 发生如下反应 2NH3 CO2 H2O yNH4 CO2- 3; 有机质中的氨基酸被分解, 产生 NH4。第 1 个过 程使 pH 值降低, 后 3 个过程均导致 pH 值升高。在 总体上后 3 个过程可能占优势, 因此 pH 值随细菌浓 度的升降而表现出一定的波动。第 15 d 以后, 细菌 浓度逐渐降低, 大量死亡的细菌自溶导致 pH 值呈现 逐渐升高的趋势。 2. 2 沉淀物的数量特征 对每个时期所形成的固相产物进行了定量分 析。从图 2 可以看出, 细菌培养实验与无菌对照实 验中沉淀物的数量具有相同的变化趋势, 均出现 3 个台阶, 说明沉淀过程具有阶段性。二者的区别在 于 无菌对照实验的沉淀物在数量上一直少于细菌 实验; 细菌培养实验在第 60 d 左右达到平衡, 而对照 实验在第 35 d 时就已达到平衡。该结果说明 SN -1 菌株的存在有利于沉淀的形成。 图 2 沉淀物质量的动态变化 Fig. 2 T emporal change of quality of precipitates 2. 3 矿物组合特征 通常, 体系中最终出现的矿物并不是从溶液中 直接形成的, 而是通过一系列过渡性矿物的逐渐转 变来实现 Berner andHoldren, 1979 , 很可能是经过 含水的非晶质相阶段再逐渐脱水和重结晶, 因为非 晶态固相有较低的界面自由能和较快的成核速率 Konhauser et al . , 1999 。对于无机化学体系中的 碳酸钙系列矿物来说, 通常存在如下的转变过程 非 晶态碳酸钙 y单水碳钙石 y球霰石 y文石 y方解石 戴永定等, 1994 。但通过对各个时期固相产物的 XRD结果进行分析表明, 细菌培养实验的沉淀物由 方解石和单水碳钙石两种矿物组成 图 3 , 其中第 10 35 d 以方解石为主, 第40 100 d 则以单水碳钙 石为主, 其中第 60 d 例外, 以方解石为主, 即总体的 629 第 4 期 王金平等 梭菌 SN -1 菌株参与下形成的碳酸盐矿物组合及其主要矿物成分的动态变化 相转变方向是 方解石y单水碳钙石。作者推测, 可 能是梭菌及其新陈代谢产物在成矿过程中起到了至 关重要的作用, 它们不仅促进了含镁方解石的快速 形成, 而且使单水方解石成为稳定的矿物相。无菌 对照实验也以方解石和单水碳钙石为主 图 4 , 但两 者形成的先后次序截然相反 先形成以单水碳钙石为 主而方解石为次的组合, 而后方解石的相对含量逐渐 增大。这总体上符合无机化学体系中碳酸钙系列矿 物相的转变方向。值得一提的是, 本文并没有获得体 系中存在球霰石和文石的信息, 可能是由于这两个相 存在的时间短于本文实验的时间间隔之故。 图 3 细菌培养实验中形成的沉淀物的 XRD 图谱 Fig. 3 X -ray diffractographs of precipitated products obtained from culture with SN -1 strain 图 4 对照实验中形成的沉淀物的 XRD 图谱 Fig. 4 X -ray diffractographs of precipitated products obtained from aseptic experiments 通常认为, 单水碳钙石是不稳定相。无论是化 学体系还是生物体系的实验, 均极少有形成单水碳 钙石的报道, 仅见于文献 Rivadeneyra et al. , 1998; Van Lith et al. , 2003 中, 目前尚无定量估算单水碳 钙石在矿物组合中所占比例的方法。为了大致定量 描述单水碳钙石和方解石含量的动态变化, 暂时用 方解石 104 晶面衍射峰和单水碳钙石 012 晶面衍 射峰的面积比值来表示二者的比例。应该指出的 是, 方解石的衍射峰往往是由镁含量不同的一系列 方解石衍射峰构成的组合峰, 因此, 其 104 晶面衍 射峰面积实际上是几个衍射峰面积之和。 计算结果表明, 细菌培养实验产物中方解石含 量随着培养时间的延长而逐渐减少, 单水碳钙石含 量逐渐增加, 而无菌对照实验则正好相反 图 5 。单 水碳钙石能够稳定地存在可能与细菌分泌的有机物 有关。微生物分泌的有机物质 多糖、 有机酸等 随 着矿物的形成而被包裹于矿物之中。这些有机物质 有可能提高了不稳定碳酸盐矿物相 例如单水碳钙 石 的稳定性 Rodriguez Navarro et al. , 2007 。 图 5 结晶态物质中方解石的含量 Fig. 5 Percentages of calcite in crystalline products 2. 4 形态特征 在第 10 25 d, 矿物主要以哑铃状为主 如图 6a , 还有一些花菜状矿物和球状矿物。这里所说的 花菜状矿物实际上是表面不很圆滑的球状矿物。花 菜状和球状矿物聚集在一起构成葡萄状集合体。从 第 25 d开始直至第 100 d, 除以上形态外, 还出现了 由菱面体构成的矿物集合体。一些球状矿物的表面 棱角突出 我们暂称之为刺球 而不再是比较光滑的 圆球 如图 6b 。总体上来看, 随着培养时间的加长, 哑铃状矿物减少, 刺球状和菱面体状矿物增多。这 种趋势与我们以前报道的结果 李福春等, 2011 类 似。 2. 5 矿物种类与形态的关系 对矿物形态的观察结果表明, 第 10 d 时哑铃状 矿物占优势。哑铃状矿物随着培养时间的延长而逐 渐 减少, 球状矿物增多。 同时, XRD结果表明, 第10 630 岩 石 矿 物 学 杂 志 第 31卷 图 6 哑铃状和球状碳酸盐矿物的 SEM 照片 Fig. 6 SEM photographs of carbonate minerals with various morphologies a 哑铃状 20 d ; b 刺球状 25 d a dumbbell 20 d ; b spherulite 25 d 35 d 的产物中以方解石为主, 第 40 d 以后以单水 碳钙石为主。此外, 第 60 d 的实验产物中与总体趋 势不协调地出现了较多的哑铃状矿物, 而矿物成分 也表现出与总体趋势不一致 以方解石为主。看 来, 这可能不是巧合, 而是有可能暗示着哑铃状矿物 是方解石, 球状矿物是单水碳钙石。 3 结论 通过以上分析和讨论, 认为梭菌 SN -1 菌株对碳 酸盐矿物的形成过程及其矿物组合有一定的控制作 用 1 细菌培养实验的沉淀物数量始终多于无菌 对照实验。 2 在梭菌 SN -1 菌株作用下形成的碳酸盐矿 物组合的变化趋势是方解石 y方解石 单水碳钙石 y单水碳钙石 方解石 y单水碳钙石, 而无菌对照 实验产物中矿物的演化方向是单水碳钙石 方解石 y方解石 单水碳钙石y方解石。 3 在综合分析 SEM 和 XRD 观测结果的基础 上推测, 哑铃状矿物可能是高镁方解石, 而球状矿物 可能是单水碳钙石。 References Altermann W, Kazmierczak J and Oren A. 2006. Cyanobacterial calcif- i cation and its rock -building potential during 315 billion years of Earth history[ J] . Geobiology, 4 147 166. Berner R A and Holdren G R. 1979. M echanism of feldspar weathering Some observational evidence[ J] . Geology, 5 369 372. Boquet E, Boronat A and Ramos -Cormenzana A. 1973. Production of calcite calcium carbonate crystals by soil bacteria is a general phe - nomenon[ J] . Nature, 246 5434 527 529. Buczynski C and Chafetz H S. 1991. Habit of bacterially induced precip- i tates of calcium carbonate and the influence of medium viscosity on mineralogy[ J] . Sedimentary Research, 61 2 226 233. Burne R V and Moore L S. 1987. Microbialites organose - sedimentary deposits of benthic microbial communities[ J] . Palaios, 2 241 254. Dai Yongding. 1994. Biomineralogy[ M] . Petroleum Industry Press, 19 21 in Chinese with English abstract . Dai Yongding, Liu Tiebing and Shen Jiying. 1994. Bio - ore ation and biominerlization[ J] . Acta Palaeontologica Sinica, 33 5 575 594 in Chinese with English abstract . Guo Wenwen, Ma Heng, Li Fuchun,et al. 2012. Clostridium sp. MH18 strain induces the ation of carbonate minerals[ J] . Acta Microbiologica Sinica, 52 2 221 227 in Chinese with English abstract . Hou W G, L ian B and Zhang X Q. 2011. CO2mineralization induced by fungal nitrate assimilation[ J] . Bioresource T echnology, 102 1 562 1 566. Konhauser K O and U rrutia M M. 1999. Bacterial clay authigenesis implications for river chemistry[ J] . Chemical Geology, 161 399 414. Li Fuchun, Ma Heng, Su Ning, et al. 2011. Clostridium sp. controlled morphology of Mg-bearing calcite and its implication for possible mechanism[ J]. Geological Journal of China Universities, 17 1 13 20 in Chinese with English abstract . Ma Heng, Li Fuchun, Su Ning, et al. 2009. Morphological evolution during the ation of carbonate spherulite Citrobacter freundii cu- l ture[ J] . Geological Journal of China Universities, 15 3 429 436 in Chinese with English abstract . Martinez R E, Gardes E, Pokrovsky O S, et al. 2010. Do photosyn - thetic bacteria have a protective mechanism against carbonate precip- i 631 第 4 期 王金平等 梭菌 SN -1 菌株参与下形成的碳酸盐矿物组合及其主要矿物成分的动态变化 tation at their surfaces[ J] . Ecological Engineering, 36 118 136. Rivadeneyra M A, Delgado G, Ramos -Cormenzana A, et al. 1998. Biomineralisation of carbonates by Halomonas eurihalina in solid and liquid media with different salinities Crystal ation sequence[ J] . Research in Microbiology, 149 277 287. Rivadeneyra M A, Delgado G, Ramos -Cormenzana A, et al. 1998. Biomineralization of carbonates by Halomonas eurihalina in solid and liquid media with different salinities crystal ation sequence[ J] . Res. Microbial. , 149 4 277 287. Roberts J A, Bennett P C, Gonzalez L A, et al. 2004. Microbial pre - cipitation of dolomite in methanogenic groundwater[ J] . Geology, 32 277 280. Rodrigue- z Navarro C, Jimenez -Lopez C, Rodriguez -Navarro A, et al . 2007. Bacterially mediated mineralization of vaterite[ J] . Geochim- i caet Cosmochimica Acta, 71 5 1 197 1 213. S‚ nchez - Moral S, Caaveras J C, Laiz L, et al. 2003. Biomediated pre - cipitation of calcium carbonate metastable phases in hypogean env- i ronments a short review[ J] . Geomicrobiol. J. , 20 491 500. S‚ nchez - Rom‚ n M, McKenzie J A, Luca Rebello Wagener A, et al . 2009. Presence of sulfate does not inhibit low-temperature dolomite precipitation[J] . Earth and Planetary Science L etters, 285 131 139. S‚ nchez -Rom‚ n M, Romanek C S, Fern‚ ndez -Remolar D C,et al . 2011. Aerobic biomineralization of Mg -rich carbonates Implications for natural environments[ J] . Chemical Geology, 281 3 4 143 150. Su Ning, Li Fuchun, Ma Heng, et al. 2010. Effects of Mg/ Ca ratios on the species and morphologies of microbial carbonate minerals[ J] . Acta Mineralogica Sinica, 30 1 83 89 in Chinese with English abstract . Van Lith Y, Warthmann R, Vasconcelos C, et al. 2003. Sulphate -re - ducing bacteria induce low -temperature dolomite and high M g -calcite ation[ J] . Geobiology, 1 1 71 79. Warthmann R, Vasconcelos C, Sass H,et al . 2005. Desulfovibrio brasiliensis sp.nov. , a moderate halophilic sulfate - reducing bacterium from Lagoa Vermelha Brazil mediating dolomite ation[ J] . Extremophiles, 9 3 255 261. Wright D T and Wacey D. 2005. Precipitation of dolomite using su- l phate -reducing bacteria from the Coorong Region, South Australia Significance and implications[ J]. Sedimentology, 52 5 987 1 008. 附中文参考文献 戴永定, 刘铁兵, 沈继英. 1994. 生物成矿作用与生物矿化作用[ J] . 古生物学报, 33 5 575 594. 戴永定. 1994. 生物矿物学[ M] . 北京 石油工业出版社, 19 21. 李福春, 马 恒, 苏 宁, 等. 2011. 梭菌对含镁方解石形态的控制 及其可能机理[ J] . 高校地质学报, 17 1 13 20. 苏 宁, 李福春, 马 恒, 等. 2010. Mg/ Ca 比对微生物成因的碳酸 盐矿物种类和形态的影响[ J] . 矿物学报, 30 1 83 89. 郭文文, 马 恒, 李福春, 等. 2012. 梭菌 MH18 菌株诱导碳酸盐矿 物的形成[ J] . 微生物学报, 52 2 221 227. 马 恒, 李福春, 苏 宁, 等. 2009. Citrobacter freundii 作用下球状 碳酸盐矿物的形态演化过程研究[ J] . 高校地质学报, 15 3 429 436. 632 岩 石 矿 物 学 杂 志 第 31卷