微生物碳酸鈣化實驗研究

王 偉，趙 敏，劉 妍

(西北大學地質(zhì)學系 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安710069)

微生物沉積作用在前寒武紀地層中普遍發(fā)育，在顯生宙的一些地層中也較為發(fā)育。微生物巖是由底棲微生物群落捕獲和粘結(jié)碎屑沉積物或以它們?yōu)榈V物沉淀中心而形成的生物沉積巖[2]。微生物碳酸鹽沉積是由底棲的原核或真核微生物群落通過捕獲和粘結(jié)碎屑顆粒，或者由微生物引發(fā)的碳酸鹽沉淀加積而成的碳酸鹽沉積物[3]。微生物碳酸鹽不但可以構(gòu)成生物礁的主要框架，還可形成純微生物碳酸鹽構(gòu)造。自前寒武紀以來，大量微生物碳酸鹽巖發(fā)育于中新元古代和早古生代，包括疊層石、凝塊石、樹形石和均一石等[4]。微生物群落和微生物碳酸鹽沉積與古氣候、古環(huán)境和重大生物事件的關(guān)系十分密切。迄今為止的研究普遍認為微生物碳酸鹽的沉積作用在大多數(shù)古生代碳酸鹽建造中都很普遍，并認為微生物群落和微生物碳酸鹽沉積的繁盛一般與地球重大變化時期的環(huán)境和氣候變化有關(guān)[5]。

自然界中某些微生物可以通過其自身的生命活動，與周圍環(huán)境介質(zhì)之間不斷發(fā)生各種作用，逐漸礦化形成膠結(jié)物質(zhì)方解石。再經(jīng)過漫長時期的積累，最終可以將自然界中沉積的疏松碎屑物質(zhì)膠結(jié)形成堅硬的巖石[6]?，F(xiàn)代生物碳酸鈣化實驗為碳酸鈣質(zhì)化石鑒定、碳酸鹽地層的成因的探討提供了有益的參考。碳酸鈣化實驗雖然不能完全模擬地質(zhì)歷史上碳酸鹽巖形成的實際復雜過程，但實驗方法及結(jié)果可能有助于對這一復雜過程的初步認識。

1 實驗材料與方法

1.1 菌種的獲取

自然條件下有機成分降解主要由微生物參與，球狀細菌是其中的常見微生物類型，由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于識別，因此是微生物碳酸鹽化實驗的良好材料。實驗采用水淹致死的新鮮馬陸作為微生物培養(yǎng)材料，以馬陸自然腐敗過程中存在的球狀細菌群落作為實驗研究對象。

1.2 實驗過程

取西安興慶公園湖水，經(jīng)濾網(wǎng)濾除大顆粒雜質(zhì)，作為實驗用天然水。稱取適量CaCO3充分溶于實驗用湖泊水，用鹽酸調(diào)溶液pH值為8(pH誤差范圍7.5～8.5)，配制CaCO3濃度為1 000 ppm的碳酸鈣溶液。取兩組250 ml廣口瓶，每組廣口瓶內(nèi)均置入馬陸二至三條。其中一組燒瓶加入250 ml實驗配置1 000 ppm碳酸鈣溶液并浸沒馬陸樣品，進行人工碳酸鈣化環(huán)境實驗;另一組廣口瓶加入250 ml實驗用湖泊水并浸沒馬陸樣品，進行非碳酸鈣化環(huán)境對照實驗。模擬常溫(5℃ ～35℃)常壓(1×105Pa)下。所有樣品在實驗室內(nèi)靜置保存，分別處理五至七個月后取樣觀察。

1.3 電鏡制樣

分別對在碳酸鈣化環(huán)境處理七個月以及非碳酸鈣化環(huán)境處理五個月的球狀細菌進行掃描電鏡(SEM)觀察及元素能譜(EDS)分析。由于長時間的腐解，馬陸已形成中空結(jié)構(gòu)，中間的軟組織已經(jīng)完全降解，外骨骼環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。因此，選取兩組實驗馬陸的脫落體節(jié)作為電鏡樣品。所有樣品經(jīng)蒸餾水多次清洗后進行酒精梯度脫水(30%，50%，75% ，85% ，95% ，9，5%)，自然干燥后制樣。

2 實驗結(jié)果

2.1 人工碳酸鈣化環(huán)境實驗結(jié)果

圖1是在實驗室環(huán)境腐解七個月的馬陸樣品掃描電鏡圖像，圖像(如圖1，2、表1)顯示馬陸表皮組織外表面有大量碳酸鈣化狀態(tài)的球狀細菌存在。碳酸鈣化的球狀細菌直徑5～15 um。細菌表面吸附有大量碳酸鹽微顆粒，大小較均勻。觀察發(fā)現(xiàn)球狀細菌表面的碳酸鈣微顆粒吸附狀態(tài)有多種:部分細菌表面只有單層碳酸鈣微顆粒吸附，且顆粒吸附均勻;部分細菌表面吸附碳酸鈣明顯較厚，由厚層碳酸鈣微顆粒堆積而成，分布不規(guī)則。

圖1 1 000 ppm碳酸鈣溶液浸泡七個月后的細菌樣品 (掃描電子顯微鏡圖像)

圖2 1 000 ppm碳酸鈣溶液浸泡七個月后球狀細菌表面區(qū)域元素能譜分析圖

表1 1 000 ppm碳酸鈣溶液浸泡七個月后球狀細菌表面能譜分析元素表

2.2 非碳酸鈣化環(huán)境對照實驗結(jié)果

圖3顯示非碳酸鈣化環(huán)境處理五個月的細菌樣品，掃描電鏡圖像，部分腐敗的馬陸表皮組織表面具有大量處于生物狀態(tài)的球狀細菌(如圖3，圖4、表2)。細菌為球狀.直徑10 um左右，表面光滑，具生物特征。觀察發(fā)現(xiàn)無碳酸鈣顆粒吸附。細菌表面區(qū)域EDS分析也證實細菌主要由有機成分組成，其表面無碳酸鈣存在。

圖3 實驗湖泊水浸泡五個月后的細菌樣品 (掃描電子顯微鏡圖像)

圖4 實驗湖泊浸泡五個月后的細菌表面區(qū)域元素能譜分析圖

表2 實驗湖泊浸泡五個月后的細菌表面能譜分析元素表

3 實驗結(jié)果分析

實驗發(fā)現(xiàn)人工模擬碳酸鈣化環(huán)境處理七個月的球狀細菌發(fā)生了明顯的碳酸鈣化作用。通過分析球狀細菌不同的碳酸鈣化狀態(tài)，可以將球狀細菌的早期碳酸鈣化作用分為兩個階段。首先，球狀細菌表面均勻吸附一層碳酸鈣微顆粒，再一層層的吸附堆積，形成厚層結(jié)構(gòu)。

在微生物碳酸鹽巖形成過程中，無論是微生物對沉積物的捕捉、粘附還是原地碳酸鹽的沉淀，起關(guān)鍵作用的是微生物胞外聚合物、微生物膜及微生物席，它們是微生物碳酸鹽巖形成的生物基礎(chǔ)[7]。微生物胞外聚合物主要聚集于細胞外，形成一種具粘結(jié)性的基質(zhì)，使得微生物附著于基底之上，能夠提供物理和化學保護作用。微生物膜是由生存于微生物胞外聚合物中的一薄層細菌群落組成，附著于需水環(huán)境的基底。微生物膜在合適的生態(tài)條件下繼續(xù)生長而形成較厚的、較明顯的層而被定義為微生物席。

現(xiàn)代生物巖石模擬實驗無法完全模擬地質(zhì)歷史中的巖層的形成環(huán)境及過程[8]，因此實驗結(jié)果往往難以與特定的巖層材料進行對比，然而我們卻不能因此放棄對生物巖層過程的實驗實證探索。通過更好地設(shè)計實驗環(huán)境，合理地選擇實驗材料，現(xiàn)代生物巖石實驗實證結(jié)果可以為理解地史中生物巖層的復雜過程提供更多信息。

4 結(jié)語

微生物碳酸鹽巖是微生物與沉積環(huán)境相互作用形成的產(chǎn)物，對微生物碳酸鹽巖的研究在揭示古生物與沉積環(huán)境關(guān)系以及對巖相古地理重塑發(fā)揮著巨大作用。

人工控制條件下進行碳酸鈣化，球狀菌在該環(huán)境下可以快速發(fā)生碳酸鈣化。但是其它影響碳酸鈣化的因素有待研究。

微生物碳酸鹽巖的礦物組分非常簡單，但由于其種類繁多，形成過程復雜，微生物證據(jù)匱乏，因此，對微生物碳酸鹽巖的研究具有一定的難度。只有對微生物巖進行客觀觀察、描述和分類研究，才能對其形成機制、沉積模式做出科學的分析和解釋，需結(jié)合地層學、沉積學、古生物學以及埋藏學等其他學科的綜合分析，才能對微生物巖地質(zhì)意義做出正確推斷。

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