富含微生物體系內(nèi)溫壓條件對自生碳酸鹽巖和鐵硫化物形成的影響

魏銘聰，許天福，貝科奇，金光榮，劉肖，曹玉清，劉娜

1.吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，長春 130021 2.吉林大學地球科學學院，長春 130021

0 引言

自生礦物主要包括碳酸鹽類、硫化物類、硫酸鹽類和自然鋁[1-4]。其中，碳酸鹽和鐵硫化物是海洋沉積層中重要的礦物，可指示特殊的沉積環(huán)境，是天然氣水合物存在的重要標志。海洋中碳酸鹽的形成和沉積使得地球表面80%的碳被固定[5]，因此，碳酸鹽也是地球上重要的儲碳物質(zhì)。

碳酸鹽和鐵硫化物的形成是復雜的反應動力學和熱力學過程[11]。研究發(fā)現(xiàn)，壓力影響動力學過程，壓力升高，海水中硫化氫和二氧化碳氣體分壓(pH2S、pCO2)增大[12-13]，pH降低，pS2-(S2-的對數(shù)值)升高，當達到臨界值時，自生碳酸鹽和鐵硫化物分別產(chǎn)生溶解和沉淀。同時，溫度在自生碳酸鹽和鐵硫化物形成過程中起著至關重要的作用。Rickardetal.[14]在25 ℃～125 ℃條件下研究鐵硫化物與H2S反應形成黃鐵礦的反應機理時，發(fā)現(xiàn)反應的阿侖尼烏斯能與溫度相關，溫度直接控制著反應電子能和FeS的活性。Morseetal.[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)，溫度會影響文石和方解石的沉淀比例，溫度較高時，文石沉淀多；相反，方解石沉淀較多。前人對于碳酸鹽和黃鐵礦的研究，取得較多成果。然而，模擬海底條件，還原自生礦物早期形成過程的實驗研究暫未開展。

自生碳酸鹽和鐵硫化物的形成是復雜的微生物地球化學過程，在實驗室開展相關研究難度較大。以往研究碳酸鹽和鐵硫化物形成實驗時，多無微生物的參與[11-12,14]，亦無模擬海底的溫壓條件。本文報道由自主研發(fā)的反應系統(tǒng)，模擬海底低溫高壓條件，用于研究微生物作用下自生礦物形成的溫壓條件。利用此系統(tǒng)，在低溫高壓、飽和甲烷條件下，模擬海底水化學環(huán)境及微生物條件，探討溫壓對水化學環(huán)境及自生碳酸鹽和鐵硫化物形成的影響。以期還原自生礦物的早期形成過程，明確自生礦物的形成機理。

1 材料與方法

1.1 菌種富集與母菌制備

從某石油污染場地取含油黑色淤泥樣品(取樣點位于潛水位下部的厭氧沉積層)。將樣品裝入充滿氮氣的三層PEI鋁袋中，在4 ℃下保存。將保存的樣品在厭氧操作臺中，注入到去氧滅菌水中并震蕩靜置；取上清液轉(zhuǎn)接入液體培養(yǎng)基[10,15]。微生物的培養(yǎng)操作據(jù)文獻[15]。

重復上述步驟兩次，獲得的濃度較高和菌種組分穩(wěn)定的母菌(經(jīng)鑒定硫酸鹽還原菌和甲烷氧化菌超過總菌量的30%)，用于反應釜實驗。

1.2 低溫高壓反應裝置

海底甲烷滲漏區(qū)存在一個厚度小于60 m、溫度低于15 ℃的缺氧沉積帶—硫酸鹽還原—甲烷厭氧氧化帶(Sulfate-Methane Transition Zone, SMTZ)[13,16-17]，自生碳酸鹽和鐵硫化物在此帶分布廣泛且含量較高[18-21]。

SMTZ所處水深一般為幾百至幾千米，壓力在幾十至幾百個大氣壓之間，溫度處于0 ℃～15 ℃之間[2,4,22-23]。在進行實驗裝置設計時，應使實驗溫壓與SMTZ接近。同時，應保證設計的實驗裝置在上述低溫和高壓條件下能正常運行。為實現(xiàn)研究目標，自主設計了符合上述條件的實驗裝置。實驗裝置及其主要技術指標如圖1和表1。

1.3 反應溶液和實驗步驟

反應溶液組分及其入釜前處理據(jù)文獻[15]。實驗步驟主要包括菌液注入、溫壓調(diào)節(jié)、取樣測試和礦物分析四個步驟，具體如下：

圖1 低溫高壓模擬實驗裝置示意圖[15,24]1.反應釜系統(tǒng)；2,6，10，12，14.控制閥；3.溫度傳感器；4.振蕩器；5.壓力傳感器；7.真空泵；8.靜音空壓機；9.增壓泵；11.流量計；13.微生物容器；15.平流泵；16.數(shù)據(jù)采集裝置；17.取樣口Fig.1 Schematic diagram of simulate experiment of low temperature and high-pressure reactor[15,24]

表1 反應釜主要技術指標

(1) 將母菌注入已滅菌的微生物容器中，保持控制閥14(圖1)處于擰緊狀態(tài)，隨后擰緊閥12；將滅菌后的石英砂200 g和花崗巖磨片(Granite abrasive disc, GAD，由石英、鈉長石和鉀長石組成)兩片裝入反應釜中；繼續(xù)往反應釜中注入滅菌后的反應溶液670 mL，將保存于微生物容器內(nèi)的母菌注入反應釜內(nèi)。

(2) 當反應釜內(nèi)達設計實驗溫度并穩(wěn)定后，往反應釜內(nèi)注入甲烷氣體直至壓力達到實驗所需。待溫度和壓力都保持穩(wěn)定后，開始第一次取樣，此時實驗時間記為0。

(4) 實驗結束后，從釜中取出花崗巖磨片，用酒精洗表面，烘干后編號，在密封干燥條件下送至礦物分析鑒定中心，進行測試。

1.4 分析方法

通過吉林大學古生物中心實驗室配置的JSM-6700F型掃描電鏡(Scanning electron microscope, SEM)和INCAX-SIGHT型能譜儀(energy-dispersive X-ray spectrometer, EDS, Oxford, UK)，分別對自生礦物的形態(tài)和組分進行觀察及鑒定。

1.5 反應條件

實驗過程中，反應釜內(nèi)壓力由甲烷氣體提供。低溫條件下，當壓力過高時，容易破壞甲烷在系統(tǒng)內(nèi)的三相平衡，形成甲烷水合物[25-27]。其形成會使反應釜內(nèi)液相體積減小，影響測試結果。為防止次生甲烷水合物生成，并結合甲烷滲漏區(qū)沉積層的溫度和壓力條件，選定了實驗溫度和壓力(表2)。實驗組1，2和3，探討不同溫度對自生礦物形成的影響。實驗組4，5和6研究在10 ℃時，不同壓力對自生礦物形成種類及形態(tài)的影響。

表2 實驗溫度和壓力

2 結果

2.1 不同溫度

2.1.1 水化學性質(zhì)和組分

不同溫度下pH在6.5～7.4之間變化(圖2C)，表明溫度的改變，對pH的影響不大。在不同溫度的甲烷滲漏區(qū)沉積層的孔隙水中，pH一般保持在5.2～7.9之間[16,32]。因此，可以斷定，在甲烷滲漏區(qū)沉積層物質(zhì)變化過程中，pH保持在一個相對穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)。ORP隨時間先下降后逐漸達到穩(wěn)定，最終維持在負值(還原環(huán)境)；溫度升高，ORP(負值)越大(圖2D)。從圖2B和2D可以看出，S2-濃度與ORP之間存在較好的相關性，這與前人的研究相同[33]。

2.1.2 自生礦物

方解石、白云石、文石、鎂方解石和黃鐵礦是海底甲烷滲漏區(qū)沉積層中分布較為廣泛的自生礦物[1-2,5,34-35]。圖3，圖4和圖5顯示，本次實驗中形成的自生礦物種類(白云石和鎂方解石未列出)與實際甲烷滲漏區(qū)相似，且自生礦物在SEM下呈亮白色和灰色。

圖3是5 ℃，8 ℃和10 ℃條件下形成的碳酸鈣在SEM下的形態(tài)。圖3a中碳酸鈣礦物呈三棱柱和不定型塊狀，圖3b和3c中分別呈棱塊狀和礫狀。結果表明，不同溫度下碳酸鈣形成分布較少。

圖4顯示不同溫度下形成的菱鐵礦的形態(tài)：5 ℃形成的菱鐵礦呈長方體狀(圖4a)，10 ℃中呈花簇狀(圖4c)，8 ℃中分布較散卻無固定的形態(tài)。統(tǒng)計不同溫度下菱鐵礦分布時發(fā)現(xiàn)，溫度升高，分布增多。

圖5a中鐵硫化物呈塊狀，分布較少；圖5b中鐵硫化物呈圓球狀和棒狀，分布范圍較廣；圖5c中鐵硫化物未形成較好的形態(tài)，但分布面積較大。對比實驗結果發(fā)現(xiàn)：鐵硫化物分布范圍從小到大分別為5 ℃，8 ℃和10 ℃。結合圖2B推斷，溫度升高，S2-濃度越高，利于鐵硫化物形成。

2.2 不同壓力

2.2.1 水化學性質(zhì)和組分

圖2 5 ℃，8 ℃和10 ℃中離子組分和水化學性質(zhì)隨時間的變化Fig.2 Changes of ion componets and water chemical properties over time in experiments process at 5 ℃, 8 ℃and 10 ℃

圖3 不同溫度下碳酸鹽形態(tài)對比(方框圈出部分)(左至右分別放大2 000，1 500和2 000倍)Fig.3 SEM images of calcite minerals morphology at different temperatures(minerals were surrounded by square) (they are respectively amplified 2 000, 1 500 and 2 000 times from left to right)

圖4 不同溫度下菱鐵礦形態(tài)對比(方框圈出)(左至右分別放大2 000，1 000和1 500倍)Fig.4 SEM images of siderite minerals morphology at different temperatures(minerals were surrounded by square and pointed out by arrow) (they are amplified 2 000, 1,000 and 1 500 times from left to right, respectively)

圖5 不同溫度下鐵硫化物形態(tài)對比(黃色方框圈出和箭頭指出)(左至右分別放大1 100，1 500和1 000倍)Fig.5 SEM images of iron sulfide minerals morphology at different temperatures (minerals were surrounded by square or pointed out by arrow) (they are amplified 1 100, 1 500 and 1 000 times from left to right, respectively)

圖6D是不同壓力下ORP隨時間變化的曲線。實驗4前期先上升后下降再上升，最后保持穩(wěn)定，變化范圍為-262.0～-2.5 mV；實驗5中，ORP整體呈下降趨勢，變化范圍為-83.6～137.0 mV；實驗6表現(xiàn)為先下降后上升，最后下降，ORP變化范圍為-162.0～136.6 mV。三組實驗中，ORP最終維持在-180.0～-50.0 mV之間，可以推測此區(qū)間利于微生物生長代謝。結合圖6C和6D可知，S2-濃度變化范圍越大，ORP變化范圍也越大，即S2-濃度和ORP變化范圍呈正相關關系。因此，HS-是引起系統(tǒng)內(nèi)ORP變化的重要離子[29]。

2.2.2 自生礦物

圖7、圖8和圖9是不同壓力條件下形成的自生礦物在SEM下的型態(tài)，經(jīng)EDS分析發(fā)現(xiàn)，主要有碳酸鈣、菱鐵礦和鐵硫化物。圖7a顯示，莓狀碳酸鈣呈灰色；圖7b中碳酸鈣呈塊狀和長方體狀，多處有分布；圖7c中碳酸鈣為礫狀，較少分布。菱鐵礦在圖8a中呈分散狀形成于表面；在圖8b中呈較大的梯形塊狀；在圖8c中呈塊狀，少數(shù)與鐵硫化物共生。鐵硫化物在實驗4和5中形成和分布較少，分別呈片狀和塊狀(圖9a,b)；圖9c中鐵硫化物有較多的分布，呈棒狀和圓餅狀，與菱鐵礦交互重疊共生。綜合三組實驗中礦物分布發(fā)現(xiàn)：2.5 MPa條件下自生碳酸鹽分布最廣，其次為5.0 MPa，7.5 MPa最少；自生鐵硫化物的形成分布規(guī)律與碳酸鹽相反?？梢酝茢啵瑝毫μ岣?，利于鐵硫化物形成；相反，利于碳酸鹽形成。

3 討論

3.1 溫度和壓力對碳酸鹽礦物形成的影響

3.1.1 溫度

CH4+SO2-4→HCO-3+HS-+H2O(1) 2CH2O+SO2-4→2HCO-3+H2S(2)過程1 Ca2++HCO-3?CaCO3+H+(3) Fe2++HCO-3?FeCO3+H+(4) Ca2++Mg2++2HCO-3?CaMg(CO3)2+2H+(5)過程2

圖6 2.5 MPa，5.0 MPa和7.5 MPa實驗過程離子組分和水化學性質(zhì)隨時間的變化曲線Fig.6 Changes of ion componets and water chemical properties over time in experiments process at 5 MPa, 8 MPa and 10 MPa

圖7 不同壓力條件下碳酸鈣礦的物形態(tài)(黃色方框圈出)(左至右分別放大1 600，1 000和1 900倍)Fig.7 SEM images of calcite minerals morphology under different pressures(minerals were surrounded by square)(they are amplified 1 600, 500 and 3 000 times from left to right, respectively)

圖8 不同壓力條件下菱鐵礦的礦物形態(tài)(黃色箭頭指向和黃色方框,左至右分別放大500，2 000和1 800倍)Fig.8 SEM images of minerals morphology under different pressures (minerals were surrounded by square or pointed out by arrow) (they are amplified 1,000, 2,000 and 1,800 times from left to right, respectively)

圖9 不同壓力條件下鐵硫化物的礦物形態(tài)(黃色方框和黃色箭頭指向)a.碳酸鹽；b.菱鐵礦；c.鐵硫化物；分別放大3 000，1 800和1 400倍Fig.9 SEM images of iron sulfide minerals morphology under different pressures (minerals were surrounded by square or pointed out by arrow) (amplified 1 900, 1 800 and 1 400 times from left to right, respectively)

3.1.2 壓力

在甲烷滲漏區(qū)中，壓力會影響孔隙水中物質(zhì)的運移、交換和甲烷的溶解度。碳酸鹽形成的第一階段(離子生成)，壓力控制CH4溶解度。Zhangetal.[13]在研究壓力對微生物代謝影響時發(fā)現(xiàn)，壓力越大，甲烷厭氧氧化速率越大，生成的離子越多。實驗結果與前人研究相似。第二階段(礦物形成)，壓力控制著CO2的溶解度。Morseetal.[12]認為環(huán)境壓力可以改變孔隙水中的pCO2，壓力越大時，其值越高，即壓力的提高，可促進碳酸鹽的形成。本文不同壓力實驗，2.5 MPa和5.0 MPa實驗形成的碳酸鈣、菱鐵礦和含鈣、鎂的碳酸鹽多于7.5 MPa。S2-濃度的升高會抑制自生碳酸鹽形成[5]，可能是造成結果不同的原因。本次實驗中，S2-濃度越高，碳酸鹽形成越少。因此，碳酸鹽形成的第二階段，壓力對其影響低于S2-濃度。

3.2 溫度和壓力對鐵硫化物形成的影響

3.2.1 溫度

Fe2++H2S→FeS+2H+

(6)

FeSaq+H2S→FeS2+H2

(8)

式(6)、(7)和(8)表明，鐵硫化物的形成過程較為復雜。與自生碳酸鹽類似，溫度對鐵硫化物形成的影響，首先體現(xiàn)在物源(硫源)上。研究和實驗結果表明，溫度的升高，可促進微生物代謝S2-[30,40]。但是，在本系統(tǒng)內(nèi)S2-濃度并不是無限增大的。當它濃度達到1 599 μg/L時，由于微生物代謝受抑制，其值開始下降(圖2B，10 ℃曲線)。這表明，當S2-濃度低于1 599 μg/L時，鐵硫化物形成的第一個階段才受到溫度影響。因此，在三組不同溫度實驗中，10 ℃最有利于第一階段的進行。

Milleroetal.[42]研究認為，鐵硫化物形成的第二個階段，溫度通過影響pK值(反應常數(shù)的負對數(shù)值)而控制其形成。pK是與溫度(開爾文溫度)和鹽度(S)相關的函數(shù)，關系式如下：

pK1=-98.080+5765.4/T+15.045 5 ln(T)

(10)

A=-0.149 8, B=0.011 9

在本文的實驗溫度下，由式(9)和(10)可知，當鹽度(S)一定時，溫度越高，pK值越小，即鐵硫化物形成反應越快。同時，溫度升高也可以增強離子活度，促進鐵硫化物生成。

綜上所述，溫度升高促進鐵硫化物生成，同時溫度控制著鐵硫化物的形成種類。

3.2.2 壓力

4 結論

通過上述實驗結果分析和討論，可以清晰地發(fā)現(xiàn)溫度和壓力對自生礦物生成存在重要影響，結果對研究甲烷滲漏區(qū)微生物地球化學作用及相關自生礦物形成機理具有一定的參考價值，主要結論如下：

(1) 實驗中形成碳酸鈣、菱鐵礦和鐵硫化物。溫度和壓力影響自生碳酸鹽和鐵硫化物形成，主要體現(xiàn)在兩個方面：1)物源的生成；2)離子結合形成礦物。不同溫壓條件下，微生物的代謝能力都較好，保證了物源的形成；但離子結合形成自生礦物時，受到溫壓、水化學組分等條件控制。

(4) ORP維持在-180.0 ～ -50.0 mV之間，pH保持在6.1～7.4之間，利于微生物的生長代謝。高的溫度和壓力，利于微生物的生長代謝，利于鐵硫化物的形成。