大洋鐵錳結(jié)核的微生物成礦過程及其研究進展

姜明玉 , 胡藝豪 , , 于心科 , 曹文瑞 , 薩仁高娃 , 常鳳鳴

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

大洋鐵錳結(jié)核是一種廣泛分布于現(xiàn)代洋底的固體礦產(chǎn)資源, 其以 Fe、Mn為主要金屬元素且富含Ni、Cu、Co、Mo、Li以及稀土元素等, 具有極高的潛在經(jīng)濟價值。鐵錳結(jié)核由核心及圍繞它的殼層組成, 主要礦物是含鐵的水羥錳礦和非晶態(tài)的水羥鐵礦, 其余主要是碎屑礦物, 包括石英、長石、輝石、鈣十字沸石和自生礦物碳氟磷灰石(CFA)等, 鈷、鎳、銅等金屬元素均主要賦存在錳氧化物中[1-2]。鐵錳結(jié)核在全球大洋分布廣泛, 通常發(fā)現(xiàn)于大于4 000米的深海底部。鐵錳結(jié)核成核和生長受多種因素控制, 如構(gòu)造運動、海底張裂與流體活動、海底洋流變化與陸源碎屑供給速率、碳酸鹽補償深度(CCD)和海洋初級生產(chǎn)力等[3-4]。根據(jù)成礦物質(zhì)的來源, 鐵錳結(jié)核可劃分為上覆海水來源的水成型、沉積物間隙水來源的成巖型、海底熱液噴發(fā)物質(zhì)來源的熱液型等成因類型[5]。近年來, 有學(xué)者又將其進一步細(xì)分為熱液-水成作用、水成-成巖作用混合成因類型[6]。此外, 成巖型結(jié)核還可分成氧化成巖型結(jié)核和亞氧化成巖型結(jié)核[7]。結(jié)核的形成機制較為復(fù)雜, 先前的研究認(rèn)為鐵錳結(jié)核的水成(化學(xué))成因占主導(dǎo)作用, 即在低含氧層下方, 鐵錳水合氧化物膠體首先形成于水中并從水中吸附鈷、鎳等微量金屬, 然后在基巖上不斷加積進而形成鐵錳結(jié)核, 該機制得到了膠體化學(xué)的實驗證明, 同時還得到微量元素、稀土元素、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及微體化石的佐證[8-10]。而新的調(diào)查以及實驗室研究表明, 微生物在鐵錳結(jié)核的形成過程中起到了重要作用, 是結(jié)核的建造者[11]。鐵錳結(jié)核中的礦物不僅僅是由單純的物理作用形成的, 同時也是生物礦化的產(chǎn)物[12-13]。

人類對鐵錳結(jié)核的調(diào)查研究持續(xù)了 150多年,從1868年由A.E. Nordenskiold率領(lǐng)的“索菲婭”號調(diào)查船在太平洋探險中偶然發(fā)現(xiàn)錳結(jié)核開始, 到1873年英國“挑戰(zhàn)者”號在摩洛哥西邊的加那利群島西南約300 km處的海底首次采集到錳結(jié)核, 再到二十世紀(jì)六七十年代, 各國研究部門和私人公司在經(jīng)濟利益的驅(qū)動下進行了大規(guī)模資源勘察和工程試采研究, 人們對鐵錳結(jié)核這一礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟意義和價值有了明確的認(rèn)識。近幾十年來, 在極高的資源價值以及各國瘋狂“圈地”的背景下, 科學(xué)家們圍繞結(jié)核的分布、特征和成因等方面的問題進行了大量的研究, 也取得了豐富的成果。

1 大洋中鐵錳結(jié)核的分布

大洋中鐵錳結(jié)核主要分布于遠(yuǎn)離海岸, 水深3 000～5 000 m的深海大洋表層沉積中, 總體位于碳酸鹽補償深度(CCD)以下, 但在淺海和邊緣海也有發(fā)育和分布。鐵錳結(jié)核分布廣泛, 在各大洋底部均有發(fā)現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計, 全球大洋約15%的面積被鐵錳結(jié)核所覆蓋, 儲量約3萬億噸。但其分布不均, 在太平洋分布最為廣泛, 約1.7萬億噸, 其中有工業(yè)開采價值的儲量約700億噸, 其次為印度洋和大西洋, 而且結(jié)核礦還以每年約1 000萬噸的速度增長[14-15]。太平洋的鐵 錳 結(jié) 核 主 要 分 布 在 東 太 平 洋 6°30′N—20°N,120°W—160°W 克拉里昂-克利伯頓斷裂帶海區(qū)(即CC區(qū)), 大部分國家和財團的調(diào)查、勘探活動都集中在這一區(qū)域并被認(rèn)為是太平洋乃至全球最好的結(jié)核富礦帶, 其中又以各國向聯(lián)合國申請獲得的礦區(qū)和有關(guān)國際財團所占礦區(qū)的結(jié)核資源最為豐富。CC區(qū)鐵錳結(jié)核儲量達(dá)150億噸, 平均豐度11 kg/m2, 平均品位為錳25.4%、銅1.02%、鎳1.28%、鈷0.24%, 富有開采前景。印度洋底錳結(jié)核主要分布在赤道以南的區(qū)域內(nèi), 而大西洋底在三大洋中錳結(jié)核最不發(fā)育。多種因素都能影響大洋鐵錳結(jié)核的分布, 包括成礦物質(zhì)的來源、水深與海底地形地貌、海底水流的活動、表層沉積物的沉積速率及類型以及生物作用等[16]。

在中國海域, 黃海、東海和南海均有鐵錳結(jié)核分布, 但其分布不勻, 結(jié)核類型也有差異。黃海鐵錳結(jié)核分布在南部晚更新世的殘留沉積區(qū)和渤海、黃海交界處附近海域的殘留沉積區(qū)。東海鐵錳結(jié)核富集在長江口外, 古長江三角洲附近的殘留沉積物中。南海的鐵錳結(jié)核在我國最為豐富, 且資源潛力最大,分布在北部灣、東北陸坡和深海盆[17]。

2 鐵和錳的生物成礦過程

微生物是一種十分活躍的地質(zhì)營力, 在地質(zhì)歷史時期廣泛地參與到各種地質(zhì)過程中, 包括巖石風(fēng)化, 各種礦物沉淀的形成等。微生物還可以顯著地控制地球化學(xué)過程, 在如 C、N、S等多種元素的循環(huán)中扮演著重要的角色, 是地球化學(xué)循環(huán)的重要一環(huán)[18-20]。近年來對地質(zhì)微生物的研究主要集中在極端環(huán)境微生物、海洋地質(zhì)微生物以及微生物與礦物相互作用等方面。其中關(guān)于微生物與礦物相互作用的研究, 對認(rèn)識大洋鐵錳結(jié)核形成過程有著重要意義。

最近的研究表明微生物極有可能參與到了氧化和沉淀游離態(tài)的Fe(II)和Mn(II)成為Fe-Mn氧化物或氫氧化物的過程中[21-22]。這些研究不僅在結(jié)核中發(fā)現(xiàn)了大量的微生物活動的痕跡, 包括微生物群落信息、微生物化石等, 而且在各種對微生物與礦物相互作用的實驗研究中, 發(fā)現(xiàn)了微生物對環(huán)境中鐵、錳的轉(zhuǎn)移及沉淀起著極大作用[23-25]。

由細(xì)菌、原生生物、真菌、植物和動物介導(dǎo)的礦物沉淀被稱作生物礦化, 是在自然界中廣泛存在的一種現(xiàn)象[26]。例如趨磁細(xì)菌是一類可以形成特殊細(xì)胞器-磁小體的特殊微生物, 它們通過生物礦化作用形成具有磁性的磁鐵礦或磁黃鐵礦, 并通過地球磁場來尋找適宜的生存環(huán)境[27]。大多數(shù)生物礦物是碳酸鈣、硅酸鹽、氧化鐵或硫化物[28]。微生物可以通過多種化學(xué)反應(yīng)(包括氧化還原反應(yīng))觸發(fā)礦物的形成、轉(zhuǎn)化和溶解[20]。微生物形成的礦物通常是納米級的, 隨著時間的推移, 礦物相的結(jié)晶度可能會發(fā)生進一步的變化, 一些礦物可能會將其他金屬納入其結(jié)構(gòu)中。微生物對多種稀土元素的遷移也有重要作用, Ohnuki等[29]發(fā)現(xiàn) Ce(III)與微生物表面官能團的結(jié)合以及Ce磷酸鹽納米顆粒的形成也許可以抑制錳氧化物對Ce(III)的氧化吸附。Jiang等[30]研究了Yb磷酸鹽納米顆粒的生物形成過程, 發(fā)現(xiàn)酵母可以使細(xì)胞表面吸附的Yb轉(zhuǎn)換成無定形的Yb磷酸鹽沉淀。中稀土元素(包括Sm、Eu、Gd、Tb和Dy)在酵母和細(xì)菌作用下也會發(fā)生生物礦化過程。經(jīng)短期吸附后, 微生物細(xì)胞表面均觀察到具有獨居石結(jié)構(gòu)的納米級Sm磷酸鹽微晶, 并且細(xì)菌表面沉淀的形成速度比酵母快[30]。

除了大洋鐵錳結(jié)核以外, 多種礦床的形成也被認(rèn)為與微生物活動有關(guān)。通過細(xì)菌作用形成的固體礦物相可能導(dǎo)致礦物在地質(zhì)時間尺度上沉積[31]。微生物介導(dǎo)的氧化還原反應(yīng)在鐵循環(huán)中起著重要作用,一些沉積型鐵礦的形成直接歸因于微生物的鐵氧化作用, 如寒武紀(jì)時期形成的條帶狀鐵礦BIF。細(xì)菌鐵還原作用與磁鐵礦和菱鐵礦的形成有關(guān)[24]。

2.1 結(jié)核中的生物成礦特征

結(jié)核中的生物成礦特征體現(xiàn)在其內(nèi)部微生物多樣性、微生物化石特征、礦物組成、地球化學(xué)特征等方面。近年來對深海表層沉積物[32-33]、錳結(jié)核[23]、鐵錳結(jié)殼[34-35]中的微生物多樣性已經(jīng)進行了廣泛的調(diào)查研究, 這些研究都透露出微生物可能參與了金屬元素的氧化還原過程。此外有研究在深海錳結(jié)核中發(fā)現(xiàn)了兩種超微生物化石以及對應(yīng)的兩種錳質(zhì)微生物巖, 被認(rèn)為是生物作用的結(jié)果, 為錳結(jié)核的生物成因找到可靠的證據(jù), 確定了深海錳結(jié)核是一種由核心和錳質(zhì)疊層石包殼組成的錳質(zhì)核形石[36-37]。葉光斌、王風(fēng)平等人[38]研究了東太平洋中國多金屬結(jié)核區(qū)錳結(jié)核樣品中微生物群落結(jié)構(gòu)特征, 發(fā)現(xiàn)結(jié)核內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 古菌群落結(jié)構(gòu)單一, 且其中有相當(dāng)一部分可能在錳結(jié)核的形成過程中起著重要作用, 同時 Bl?the等人[23]分析了東太平洋區(qū)域鐵錳結(jié)核內(nèi)部的微生物群落結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)了含量豐富的以希瓦氏菌和科爾韋爾氏菌為代表的錳循環(huán)優(yōu)勢細(xì)菌, 從而論證了生物驅(qū)動的結(jié)核內(nèi)部錳循環(huán)與結(jié)核的形成和潛在的分解過程有密切的關(guān)聯(lián)。Shulse等人[39]研究了東北太平洋 CC區(qū)結(jié)核、沉積物和水體中的微生物多樣性。研究發(fā)現(xiàn)微生物群落組成和多樣性隨生存環(huán)境的類型、水體的深度和沉積物層位而變化。同時, 沉積物中微生物群落的多樣性最高,其次是結(jié)核, 最后是水體。此外, 近些年運用高分辨率的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)技術(shù)對鐵錳結(jié)核中存在的微生物化石的研究有了很大進展, 包括鐵錳氧化菌化石與礦物生物膜的形態(tài)特征和元素組成等[40-41]?？傮w上, 目前對生物成因的鐵錳結(jié)核的微生物群落結(jié)構(gòu)特征有了一些理解[12,42]。

對于大部分微生物, 它們都不具備可形成化石的細(xì)胞物質(zhì), 然而一些細(xì)菌可以沉積它們的代謝產(chǎn)物, 在一定條件下能被長期地保存下來形成微生物化石, 鐵和錳的氧化細(xì)菌便具有這種能力[41], 這讓研究者們有機會在鐵錳結(jié)核中觀察到各種微生物化石特征。林承毅等[11]發(fā)現(xiàn)了鐵錳結(jié)核中串珠狀超微生物化石和螺旋狀超微生物化石, 并將其作為鐵錳結(jié)核為生物成因的直接證據(jù)。Bian等[43]根據(jù)微化石來源及與錳結(jié)核的關(guān)系, 將微生物分為三種類型：外來微生物、寄生微生物和構(gòu)造微生物。一般認(rèn)為有孔蟲和放射蟲是外來寄生者。Hu等[44]在東太平洋結(jié)核中發(fā)現(xiàn)了兩類構(gòu)造體： 一類是塊狀的微生物,另一類是絲狀的, 都屬于原始藻類。研究表明, 雖然塊狀微生物化石生長在孔洞和孔隙中, 主要由二氧化錳(高達(dá) 75%)組成, FeO 含量少但銅含量高(CuO 2.5%), 而絲狀微生物的錳和銅含量較低。Nayak等人[41]在中太平洋海盆鐵錳結(jié)核中發(fā)現(xiàn)大量富含錳和鎳的微生物化石, 以及含銅的桿狀細(xì)菌化石(圖1)。

圖1 Nayak等人[41]在結(jié)核中發(fā)現(xiàn)的桿狀細(xì)菌化石Fig. 1 Microfossils of rod-shaped bacteria found in nodules by Nayak et al[41] (SEM images)

鐵錳結(jié)核的礦物組成十分復(fù)雜, 大多為非晶質(zhì)-隱晶質(zhì), 按成分主要可分為錳礦物、鐵礦物及脈石礦物3類(表1)。錳礦物主要為水羥錳礦、鈣錳礦和鈉水錳礦, 這些錳的礦物均與錳氧化菌的活動密切相關(guān)。同時, Mn(Ⅳ)的氧化物有很強的陽離子吸附能力,對 Mn(Ⅱ)和海水中一些其他元素的富集起了重要作用[45]。鐵礦物主要有磁鐵礦、針鐵礦、四方纖鐵礦、六方纖鐵礦、赤鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦、似水硅鐵石等。脈石礦物主要黏土類和沸石類礦物, 碎屑礦物以及其他自生礦物[46]。

結(jié)核中已發(fā)現(xiàn)的元素達(dá)80余種, 平均含量大于1%的元素有 Fe、Mn、Si、Al、Na、Mg、Ca等 7種,平均含量 0.1%～1%之間的元素有 Cu、Co、Ni、P、K、Ti、Ba等。根據(jù)成礦元素來源, 可大致分為水成成因元素、成巖成因元素、造巖元素、熱液組分元素及生物成因元素, Mn、Fe、Al(Si)是結(jié)核中的主要元素, 含量達(dá) 50%。鐵錳結(jié)核是稀土元素的富集體,含量是正常沉積物的幾倍至幾十倍。結(jié)核中REE的分布特征與其形成環(huán)境有關(guān), 海山區(qū) S型結(jié)核 REE含量高, 具明顯鈰正異常, δCe(表征 Ce相對于其他REE分離程度的參數(shù))大于 1; 平原、凹地區(qū)楊梅狀結(jié)核 REE含量低, 具弱鈰正異?；蜮嬝?fù)異常; 丘陵區(qū)菜花狀結(jié)核 REE含量介于上述兩者之間, 具鈰正異常。而在同一結(jié)核上, 光滑暴露部分REE含量高;粗糙埋藏部分REE含量低[47]。由于微生物具有使穩(wěn)定同位素分餾的能力, 因此其控制生成的礦物通常具有穩(wěn)定的同位素分餾[48]。我們前期研究結(jié)果表明微生物能吸附富集稀土元素成礦[49-51], 鐵錳結(jié)核作為稀土元素的富集體, 在其形成過程中微生物是否也扮演了重要角色, 對結(jié)核礦物的形成及組成特征有何種影響, 這些都是研究者們一直在探討的焦點。

表1 鐵錳結(jié)核的礦物組成Tab. 1 Mineral composition of ferromanganese nodules

2.2 微生物對Fe的遷移過程及礦化過程

鐵是幾乎所有生物必需的營養(yǎng)元素, 在生物體內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移過程中起著至關(guān)重要的作用。部分生物可以將亞鐵作為主要能量來源, 而 Fe3+通常在厭氧條件下作為某些細(xì)菌的電子受體。

由于亞鐵離子在 pH＞5的含氧溶液中能被自發(fā)地氧化, 因此, 微生物氧化亞鐵的酶促反應(yīng)主要在pH＜5的條件下發(fā)生, 具有這種能力的微生物主要來自于細(xì)菌界和古細(xì)菌界。與葡萄糖的氧化相比, 亞鐵離子的氧化不能在分子水平上提供能量, 而且亞鐵氧化的實際能量利用效率也不高[24]。在自然界中, 有相當(dāng)一部分微生物都可以促進亞鐵離子的氧化。其中一些能釋放氧化劑到環(huán)境中, 影響環(huán)境的氧化還原電位, 使得亞鐵離子被氧化。另一些微生物能調(diào)節(jié)環(huán)境的pH值, 使環(huán)境pH＞5, 導(dǎo)致亞鐵離子被氧氣氧化。這樣間接氧化最典型的例子就是藍(lán)藻及藻類的光合作用。光合作用能從兩個途徑促進鐵的自發(fā)氧化： (1)通過升高它們生長水體(體相)的 pH; (2)通過提高它們周圍環(huán)境中的氧濃度[24]。在pH＞5的條件下氧化亞鐵離子得到 Fe(Ⅲ)的過程容易生成鐵的水氧化物沉淀, 但是腐殖酸、檸檬酸鹽等螯合劑會阻止沉淀的發(fā)生。微生物還可以使亞鐵離子發(fā)生厭氧氧化,這個過程中, 氧氣不是最終的電子受體, 具有這一能力的細(xì)菌主要有兩類： 鐵厭氧氧化光合細(xì)菌和鐵厭氧氧化化能細(xì)菌。在鐵厭氧氧化細(xì)菌中, 依賴于鐵的厭氧光合作用是導(dǎo)致亞鐵離子被氧化的主要過程。這一過程最典型的產(chǎn)物便是在太古宙形成的條帶狀鐵礦床BIF。當(dāng)前大多數(shù)BIF沉積模型在解釋海水中亞鐵的氧化過程時都使用了光合作用, 誘導(dǎo)混合價鐵的氫氧化物或氧化物和碳酸鹽相的沉淀和沉積[52]。有兩種光合作用模式與亞鐵的氧化有關(guān),一是由現(xiàn)代藍(lán)藻的祖先進行的典型的產(chǎn)氧光合作用[53], 另一種則是依賴于鐵的厭氧光合作用[54]。進行依賴于鐵的厭氧光合作用的細(xì)菌可以完全缺氧的條件下, 通過光和亞鐵離子來固定 CO2, 并產(chǎn)生鐵離子作為新陳代謝的副產(chǎn)物。目前的研究表明,這種厭氧光合作用可能是光合作用的前身。因此, 在光合作用出現(xiàn)和擴散之前, 亞鐵的氧化是被這種厭氧光合作用驅(qū)動的。在太古宙大氣氧含量上升之前,這些依賴鐵的厭氧光合作用的微生物是大洋中主要的初級生產(chǎn)者[52]。

除了依賴于鐵的厭氧光合作用, 細(xì)菌的呼吸作用也可以厭氧氧化二價鐵。Straub等[55]對從德國不來梅兩條河渠和微堿性氧化塘中取出的富集培養(yǎng)基進行培養(yǎng)發(fā)現(xiàn), 利用硝酸鹽作為最終電子受體的脫氮反應(yīng)也可以厭氧氧化鐵元素。Benz等[56]在淡水、微堿性水和海水沉積物的富集培養(yǎng)物中均檢測到了與硝酸鹽耦合的厭氧鐵氧化反應(yīng)。

溶解態(tài)和非溶解態(tài)的三價鐵離子都可以被微生物還原成亞鐵, 跟亞鐵的氧化過程一樣, 這些三價鐵的還原反應(yīng)既有酶促反應(yīng)也有非酶促反應(yīng)。Fe3+的酶促反應(yīng)主要發(fā)生在厭氧呼吸作用中, 其作為主要或唯一的最終電子受體; 或者伴隨著發(fā)酵過程進行, Fe3+作為次要的電子受體。此外, Fe3+還可以被還原并成為細(xì)胞的特殊組分。細(xì)菌界和古菌界的多種菌株都具有利用 Fe3+作為最終電子受體的能力, 一般菌株還原 Fe3+都在厭氧條件下進行[57]。當(dāng)存在強氧化劑時, 會發(fā)生Fe3+的非酶促還原[58]。例如, 硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的 H2S會在硫化亞鐵沉淀之前將 Fe3+還原成 Fe2+; 土壤中的微生物產(chǎn)生的腐殖類化合物也能以非酶促的方式還原Fe3+。

2.3 微生物對Mn的遷移過程及礦化過程

錳是100多種天然礦物的主要成分或次要成分,其中主要以氧化物、碳酸鹽和硅酸鹽的形式積累[24]。錳是一種對生物體至關(guān)重要的微量元素, 它在生物體中的主要作用是作為多種酶的激活劑, 部分微生物還可以將二價錳作為其能源[59]。錳的氧化物具有很強的吸附能力, 是一種重要的陽離子去除劑。微生物能大大提高錳氧化的速度[60]。同鐵的生物氧化過程一樣, 錳的生物氧化也可以分為酶促過程和非酶促過程。大部分錳氧化菌的酶促反應(yīng)將O2作為最終的電子受體, 而其他的微生物則利用周質(zhì)中的氧化態(tài)溶解物質(zhì)作為氧化劑氧化Mn2+。同時, 有些錳氧化菌可以在錳的酶促氧化過程中獲得能量。二價錳的自發(fā)氧化比鐵的要難得多, 因此非酶促氧化過程同樣需要一種或多種微生物代謝產(chǎn)物促進 Mn2+的氧化反應(yīng)。這些代謝產(chǎn)物包括檸檬酸、乳酸等羥基羧酸, 某些胞外化合物以及一些特殊的錳氧化蛋白等。微生物通過多種酶氧化Mn(Ⅱ)成為Mn(Ⅳ)是兩個連續(xù)的一步電子轉(zhuǎn)移過程的結(jié)果, 這兩個過程都需要一種特殊的氧化酶, 其中 Mn(III)是一個亞穩(wěn)態(tài)中間體[61]。

錳的生物氧化在錳的固定過程中起到重要的作用, 在土壤、巖石表面、淡水以及海水環(huán)境中均發(fā)現(xiàn)了與錳的沉淀有關(guān)的微生物。錳氧化代表菌種包括厚壁菌門、變形桿菌門和放線菌門等, 如革蘭氏陽性芽孢桿菌屬芽孢桿菌屬SG1; γ變形桿菌屬假單胞菌MnB1和GB-1等[59]。在一些干旱和半干旱地區(qū)的巖石表面, 有時會被一層富含鐵和錳的氧化物覆蓋,這個覆蓋層被稱作“巖石漆”或“沙漠漆”[24]。巖石漆、鐵錳結(jié)核和部分沉積錳礦床都被認(rèn)為與錳的微生物氧化有關(guān)。以海水環(huán)境中形成的鐵錳結(jié)核為例, 在結(jié)核的表面和內(nèi)部生長了大量類型不同的細(xì)菌, 它們中既有錳氧化細(xì)菌, 也有錳還原細(xì)菌。錳氧化菌將二價錳氧化成四價錳氧化物, 同時, 錳氧化物的陽離子吸附能力, 在結(jié)核表面產(chǎn)生了大量吸附位點, 促進結(jié)核繼續(xù)長大。微生物除了能夠氧化錳之外, 還有多種微生物具有還原四價錳的能力。

2.4 技術(shù)手段

目前, 多種技術(shù)手段都被運用于鐵錳結(jié)核的生物成礦過程研究, 包括分子生物學(xué)技術(shù)、高分辨率電鏡技術(shù)等。近年來快速發(fā)展的分子生物學(xué)技術(shù),為研究鐵錳結(jié)核中大量不可培養(yǎng)的微生物提供了可能。以往的研究建立在鐵錳結(jié)核中微生物分離培養(yǎng)的基礎(chǔ)上, 不僅對樣品要求高, 而且在實驗室條件下能進行培養(yǎng)研究的微生物種類極其有限, 研究所能獲得的生物礦化信息較少。分子生物學(xué)技術(shù)為地質(zhì)微生物的研究提供了新的方法, 這些技術(shù)可以用來量化微生物的 DNA(遺傳學(xué))、RNA(轉(zhuǎn)錄組學(xué))和蛋白質(zhì)(蛋白質(zhì)組學(xué)), 識別和表征微生物, 并對微生物在環(huán)境中的功能有新的認(rèn)識[18]。對不同地區(qū)鐵錳結(jié)核內(nèi)部微生物群落結(jié)構(gòu)的研究開展了很多,并進行了結(jié)核、沉積物、水體微生物群落結(jié)構(gòu)的對比研究[23, 62-63]。

高分辨電子顯微鏡技術(shù)在結(jié)核的研究中應(yīng)用廣泛, 可用來分析生物化石的形態(tài)特征。能量色散 X射線光譜(EDS)作為 SEM 的附件可測定待測區(qū)域的元素組成和分布。高分辨率的透射電鏡結(jié)合能譜(HRTEM-EDS)可用于分析結(jié)核內(nèi)部礦物的形貌和組成(分辨率可達(dá)到納米級)。運用透射電鏡(TEM)聯(lián)合聚焦離子束(FIB)切片技術(shù)可在納米尺度下, 對鐵錳結(jié)核內(nèi)部不同層位進行礦物學(xué)分析和生物地球化學(xué)分析, 以此來獲取結(jié)核內(nèi)部控制生物礦化作用的信息[26]。此外, 對于納米級礦物的晶相和非晶相結(jié)構(gòu)可以運用透射電鏡結(jié)合電子衍射以及X射線吸收光譜(XAFS)技術(shù)來測定。而X射線衍射(XRD)和X射線熒光光譜(XRF)可用來分析結(jié)核中的黏土礦物組成和元素組成。此外, X射線吸收技術(shù)還可用于探測微生物-礦物界面上近期的或古代微生物氧化還原反應(yīng)留下的痕跡[26]。這一系列新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用將為地質(zhì)微生物學(xué)的發(fā)展提供強有力的保障。

3 結(jié)論與展望

大洋鐵錳結(jié)核的成礦過程是近年來的研究熱點,通過地質(zhì)學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)等多個學(xué)科的綜合研究, 證實了微生物在鐵錳結(jié)核形成過程中的重要作用, 在結(jié)核的成礦過程等方面取得了眾多成果。當(dāng)前研究的熱點和難點主要集中在以下幾個方面：(1)在實驗室條件下的微生物-礦物相互作用的分子機制研究, 包括反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的過程, 反應(yīng)動力學(xué)的測量, 產(chǎn)物形態(tài)的測定, 以及參與這些反應(yīng)的基因和蛋白質(zhì)的鑒定等; (2)揭示新的微生物-礦物相互作用類型以及跟生物礦化有關(guān)的微生物新種類;(3)研究微生物多樣性與礦物之間的相互關(guān)系, 討論其在生物地球化學(xué)過程和地質(zhì)環(huán)境形成過程中的作用。微生物尺度很小, 生命周期也很短, 這些客觀條件使得分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用十分必要。為了從結(jié)核中提取出更多的微生物信息, 進一步完善微生物參與成礦過程的基礎(chǔ)理論研究, 必須從地質(zhì)學(xué)的角度出發(fā), 綜合分子生物學(xué)、生物化學(xué)、礦物學(xué)的研究方法, 運用多學(xué)科交叉融合的方式研究鐵錳結(jié)核的生物成礦過程, 從而期待對其有更完整更深層次的認(rèn)識。

大洋鐵錳結(jié)核資源價值突出, 在資源危機和各國爭奪海洋權(quán)益的環(huán)境下, 研究其成礦過程具有重大的實際意義。同時, 作為一種記錄了大量地質(zhì)演化信息的優(yōu)良地質(zhì)樣品, 對其進行研究也能在微生物與生態(tài)環(huán)境相互作用, 微生物參與的元素遷移與循環(huán)過程, 以及微生物活動記錄下的地質(zhì)演化過程等方面提供新的認(rèn)識。