胞外聚合物在藍細菌鈣化過程中的作用及其地質(zhì)意義

鐘怡江，文華國，陳洪德，劉磊，陳安清，王興龍，王志偉，白璇

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都 610059

2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059

0 引言

藍細菌的化石記錄長達35億年[1]，通過對其礦化特征及機理研究有望找到解鎖地球演變之謎的重要“密碼”。然而，受成巖和變質(zhì)等地質(zhì)過程的長期改造，甄別古老巖石中尺寸微?。ń橛谖⒚着c納米之間）且不易與其它地質(zhì)礦物分辨的微生物化石[2]是找到“密碼”的關(guān)鍵過程。鈣化作用（形成含鈣碳酸鹽，包括低鎂方解石、高鎂方解石、文石和白云石）是微生物礦化作用最廣泛的方式[3-4]，但是直到新元古代之前，鈣化的藍細菌化石都是及其稀少或缺乏的[5-6]。碳酸鹽的飽和度一直很高的元古代為什么會如此缺乏鈣化的藍細菌，也是科學(xué)家為之不解的“前寒武紀之謎（Precambrian enigma）”[7]。

藍細菌分泌到細胞外的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）是其新陳代謝過程與外界溝通的必然通道，也是鈣化作用發(fā)生的主要場所。藍細菌是微生物席中EPS 的主要生產(chǎn)者[8-10]，微生物碳酸鹽巖就是鈣化微生物席石化作用的產(chǎn)物[11]。藍細菌的EPS 能夠提供成核位置[12-13]，影響鈣化的過程[14]和產(chǎn)物[15-16]。藍細菌EPS的鈣化作用可發(fā)生在其新陳代謝過程中，同時也可與藍細菌活著與否無關(guān)[17-20]，甚至發(fā)生在藍細菌死亡后EPS 降解的過程中[21]。大多數(shù)報道認為EPS 對藍細菌的鈣化起促進作用，但是在某些環(huán)境條件下EPS 也會阻止藍細菌的鈣化[22]。

因此，藍細菌的EPS 對藍細菌及微生物席的鈣化起到了至關(guān)重要的作用[23]。本文選取藍細菌及其產(chǎn)生的EPS 為主要剖析對象，旨在通過系統(tǒng)介紹藍細菌及胞外聚合物的主要特征，回顧和總結(jié)前人在藍細菌光合作用有關(guān)和降解過程中的鈣化過程研究成果，重點剖析藍細菌胞外聚合物在其鈣化過程中的作用，旨在為探索與藍細菌和微生物席鈣化有關(guān)的系統(tǒng)科學(xué)問題提供借鑒和啟示。

1 藍細菌的主要特征

藍細菌能像真核藻類一樣進行光合作用和固氮作用[24-25]，早期一直被認為是一種藻類，稱之為“藍綠藻”（blue-green algae）或者“藍藻”（blue algae）。后來人們發(fā)現(xiàn)其既沒有藻類生物所該有的葉綠體（只是能夠合成葉綠素，確切的說是葉綠素a），也沒有真正的細胞核，只是一種大型的單細胞原核生物（prokaryote），并且是真細菌的一種[26]。由于藻青素（phycobilin）和藻藍素（phycocyanin）的存在使其呈現(xiàn)出藍色，因此該種細菌被稱之為“藍細菌”[24,27]。

1.1 形態(tài)特征

按形態(tài)可將藍細菌分為5大類群，包括29個屬，并且細胞大小差異懸殊，最小的聚球藍細菌屬（Synechococcus）僅為0.5～1 μm，而巨顫藍細菌屬（Oscillatoria）可超過60 μm[28]。通常藍細菌以單細胞（如球狀藍細菌，coccoid）的單列、多列組合、分枝狀（圖1）[29]或以席狀聚集體的細胞集群形式生存，并且周圍都會被其分泌的無結(jié)構(gòu)分散黏液層（unstructured diffuse mucilage）、莢膜（capsule）或者鞘（sheath）所包裹。單列藍細菌稱之為毛狀體（trichomes），一個或多個毛狀體被鞘（sheath）包裹起來稱之為絲狀體（filament）（圖2）[30]。鞘的存在是藍細菌的一個分類標準[3]。

圖1 球狀藍細菌的形貌特征（據(jù)Schopf[29]）（a）球狀Gloeocapsa sp.藍細菌及包裹的鞘；（b）球狀Entophysalis sp.藍細菌聚集體Fig.1 Morphological features of coccoid cyanobacteria (after Schopf[29])

圖2 絲狀藍細菌Arthrospira fusiformis 的形貌特征（據(jù)Sili et al.[30]）（a）浸在多糖基質(zhì)中的兩個或多個纏繞活動的毛狀體形成卵狀藍細菌；（b）兩個單獨的毛狀體由黏液質(zhì)的外套膜包裹，并外包著厚層的莢膜；（c）一簇典型的卵狀毛狀體和釋放出來的成單獨毛狀體；（d）卵狀和自由的毛狀體浸在由印度墨汁反向染色的濃密黏質(zhì)多糖中Fig.2 Morphological features of filamentous cyanobacteria Arthrospira fusiformis (after Sili et al.[30])

1.2 主要生存狀態(tài)和環(huán)境

現(xiàn)代藍細菌的生存空間極其廣闊，在水中主要以浮游或底棲的形式存在，包括淡水或咸水，甚至超咸水環(huán)境等極端環(huán)境，在陸地上也是無處不在，甚至荒漠里也能找到它的蹤跡。水中的藍細菌可分為三種生態(tài)類型：1）造席類，巖石、沉積物和淹沒植物表面微生物席的主要建造者；2）富營養(yǎng)類，沿海、富營養(yǎng)的河流和湖泊等富營養(yǎng)水體中繁盛；3）微藍細菌（直徑<2 μm），通常發(fā)育在開闊海洋和干凈水體的湖泊[13]。但是藍細菌最富集的地方還是淺水環(huán)境中的微生物席。微生物席從定義上講就是真正的生物膜（biofilm）[31]，是一種由微生物自身、微生物產(chǎn)生和分泌的胞外聚合物以及它們捕獲或者沉淀的外來物質(zhì)共同組成的席狀物[11]。在所有的微生物席中，由藍細菌主導(dǎo)的微生物席最被關(guān)注[11]。保守估計，藍細菌的全球生物量將達到3×1014g 或者1×1015g[32]。相比其他真核藻類，藍細菌對于高溫、干旱、高鹽度、紫外線等具有更高的耐受度[33-34]，這正是藍細菌能夠在地質(zhì)歷史長河中存在和繁盛的重要原因。

1.3 地質(zhì)歷史中的藍細菌及古生態(tài)作用

目前認為海洋中最重要的藍細菌種屬之一的Prochlorococcus于1988年便被最早報道[35]。在2.4 Ga之前，藍細菌主要局限在淡水環(huán)境中，之后進入海水環(huán)境并呈多樣化發(fā)展[36]。硅化的藍細菌在元古宙沉積物中較為常見[37]。前寒武紀疊層石建造過程中，藍細菌可能起到了重要作用[23,38]。雖然鈣化的藍細菌化石最早存在于1.2 Ga 的中元古代，但是直到542 Ma前寒武紀和寒武紀交界之后的古生代才呈幕式產(chǎn)出，之前一直很少被發(fā)現(xiàn)[38]。因此，Riding 將前寒武紀疊層石中缺乏鈣化藍細菌化石的現(xiàn)象稱為“前寒武紀之謎（Precambrian enigma）”[7,39-40]。

藍細菌通過光合作用在整個地球歷史的生態(tài)演化和持續(xù)利用太陽能同化CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C質(zhì)方面發(fā)揮了極其重要的作用[13,41]。據(jù)估計，現(xiàn)代地球上一半的光合作用主要由藍細菌完成[42]，且其中超過一半的部分主要由兩種海相藍細菌Synechococcus和Prochlorococcus完成[43]。藍細菌的光合作用是地質(zhì)歷史中地球大氣圈氧化的主要原因[3,41,44-45]，并積極推動了地球在2.0～2.5 Ga 期間（Great Oxygenation Event, GOE）以及540～850 Ma 期間（Neoproterozoic Oxygenation Event,NOE）的兩次巨型氧化作用事件。

2 胞外聚合物（EPS）

2.1 微生物胞外聚合物的主要組成成分

胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）是有機高分子多聚化合物（分子量可達8 至大于10 000 kDa），不僅被包括光合自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物[46]所合成并分泌到細胞外部，同時也偶爾發(fā)現(xiàn)被多毛類、真菌、珊瑚和植物根所產(chǎn)生[47]。EPS 的組成因其來源的微生物、生長媒介（特別是碳源）、生長階段、溫度及其他環(huán)境因素的不同而存在差異[48]，總的來說，主要由多糖（碳水化合物）、蛋白質(zhì)、糖醛酸、核酸、多肽類、非碳水化合物酸性基團（例如丙酮酸鹽或琥珀酸鹽）和腐殖質(zhì)等組成，甚至包括硫酸鹽和磷酸鹽等無機化合物和細胞外DNA[49-53]。多糖和蛋白質(zhì)是其主要成分，占總量的70%～80%[54]。

2.2 藍細菌胞外聚合物的主要特性

藍細菌是微生物席中EPS 的主要生產(chǎn)者[8-10]，超過100 種（隸屬于22 個屬）藍細菌都能產(chǎn)生EPS[54]。藍細菌的EPS 可分為兩種類型，一類是黏附在細胞表面部分，并按照結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為三種：1）鞘（sheaths），緊密包圍在細胞或細胞群體表面薄且稠密的膜狀物，具有一定的外形，在光學(xué)顯微鏡下不用染色也能看到（圖1a）；2）莢膜（capsules），與細胞表面緊密聯(lián)系的厚層包裹體，黏度較大，輪廓光滑（圖2b）；3）黏液（slimes），細胞周圍分散的黏液物質(zhì)，不能反映細胞形態(tài)（圖2d）[55-58]。另一類是可溶解釋放到周圍環(huán)境中的部分[13]。EPS 的不同物理狀態(tài)是大分子之間的不同連接和相互作用造成的。鞘、莢膜和黏液的殘余物為膠狀或具有彈性，不容易被降解[59-61]。

藍細菌的EPS 中帶負電的酸性功能團能夠吸附大量的單價或二價陽離子，并通過雙配位橋的形成而利于提高黏性和保持結(jié)構(gòu)的完整性[52]。上述酸性官能團主要包括羧基（R-COOH）、羥基（R-OH）、氨基（R-NH2）、硫酸基（R-O-SO3H）、磺酸基（R-SO3H）和巰氫基（-SH）[62]，其中最重要的是羧基和硫酸基官能團[46]。

許多藍細菌的EPS 包含與脂類有關(guān)的乙?；?、多肽類和像海藻糖和鼠李糖的脫氧糖，導(dǎo)致藍細菌具有疏水性和乳化特征。大多數(shù)藍細菌的EPS具有包含六種或以上單糖的異質(zhì)多糖（HEPO）復(fù)合結(jié)構(gòu)。正是這些大量的不同單糖產(chǎn)生的不同鏈接類型，使得EPS 具有多種不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，并呈現(xiàn)出復(fù)合的重復(fù)單元[13]。

包裹在細胞表面的EPS 由于能夠成為細胞與其外的有機質(zhì)、無機新陳代謝產(chǎn)物、捕食者、抗菌素和其他細菌之間的物理屏障[63]，抵抗脫水作用、有機酸、噬菌體溶菌、吞噬作用、鹽度、紫外線輻射、氧化壓力等影響，并能夠增加光照、營養(yǎng)攝入和固氮活動[64-65]。同時，藍細菌的EPS 也有利于細胞聚集和生物膜積聚黏附在沉積物表面，使得各種新陳代謝作用可以在微空間中共存[65-66]，從而促進微生物細胞在不同的沉積水動力環(huán)境下的穩(wěn)定生存[67-69]和保護生物膜結(jié)構(gòu)[13,48]。

2.3 降解過程中的藍細菌胞外聚合物

藍細菌一般分布在微生物席頂部，其產(chǎn)生的EPS被下部的異養(yǎng)細菌利用過程中發(fā)生生物降解。隨著埋藏深度的增加，鞘會在生物降解過程中逐漸變成分散的多糖微結(jié)構(gòu)（圖3a～b，圖3b左—右）[70]，最終重新組織成由腫脹的節(jié)點相互連接且相對牢固的三維網(wǎng)狀（蜂窩狀或肺泡狀）結(jié)構(gòu)（圖4a，b）[47,71]。這類結(jié)構(gòu)被認為是由EPS中多糖鏈分子內(nèi)非共價鍵結(jié)合導(dǎo)致堅硬的棒狀單元調(diào)解而聯(lián)合成的富含天冬氨酸、谷氨酸和糖醛酸[72]的大分子單元所致[73]。在含水階段，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)次球狀，直徑為幾十納米到幾微米，壁厚度為幾納米到1 μm。隨著水分減少而干燥，結(jié)構(gòu)會坍塌破壞。這個結(jié)構(gòu)形成了疊層石有機質(zhì)和碳酸鹽沉積的框架，且一直保存到沉積物中1 m深的地方[47,71]。Défargeet al.[47]列舉了現(xiàn)代不同環(huán)境疊層石中均發(fā)育這類源于EPS 的三維網(wǎng)狀有機結(jié)構(gòu)，認為這類結(jié)構(gòu)不僅是底棲微生物群體有機沉積，而且是地球表面所有生命有關(guān)沉積的重要部分。

圖3 Kopare 疊層石中EPS 降解特征的TEM 微觀照片（據(jù)Decho[70]）超薄片進行了PA-TCH-SP(Thiery反應(yīng))處理，使得不溶多糖染色變暗；（a）藍細菌折疊的絲狀體和其多糖鞘，箭頭指示枯萎細胞的細胞壁脫離了外部鞘，下部的絲狀體顯示了剛好切過多糖鞘的微纖維結(jié)構(gòu)特征；（b）部分降解的藍細菌鞘（左邊是橫切面）和莢膜（右邊），可見多糖微結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀物Fig.3 TEM micrographs of stromatolitic layers of Kopare (after Decho[70])

圖4 沉積物中有機三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的冷凍電鏡（Sryo-SEM）照片（據(jù)Défarge et al.[47]）（a）Tuamoto群島Hao環(huán)礁咸水湖中疊層石頂層；（b）Tuamoto群島Moruroa環(huán)礁Brackish湖中疊層石層頂層Fig.4 Cryo-SEM micrographs of three-dimensional organic sediment framework (after Défarge et al.[47])

3 與藍細菌有關(guān)的鈣化作用

3.1 藍細菌的CO2濃縮機制

水生生物光合作用至關(guān)重要的兩個因素：一個是環(huán)境中可獲取的溶解無機碳（DIC），另一個是在酶的作用下將這些無機碳進行初步固定的機制—二氧化碳濃縮機制（CO2concentrating mechanisms,CCMs）[74]。CCMs 在光合作用生物體中廣泛存在，其作用是將CO2濃縮在細胞內(nèi)，從而增加固碳量。雖然不同種類生物體的CCMs具有差異，甚至具體機制還未獲得充分理解，但是總體過程具有一致性，包括HCO3-的傳輸、CO2的擴散和轉(zhuǎn)化等主動的向細胞內(nèi)的碳轉(zhuǎn)移[75]和碳酸酐酶（carbonic anhydrase, CA）將HCO3-轉(zhuǎn)換為CO2而為藍細菌所用的過程（圖5）。這一過程能夠?qū)⒓毎麅?nèi)CO2濃縮至細胞外的1 000倍[76-77]，使得CO2在水中的擴散速度是空氣中的1/104的情況下也能被藍細菌有效利用[78]。

3.2 與光合作用有關(guān)的藍細菌鈣化作用

CCMs 導(dǎo)致鈣化作用是多種藍細菌的突出特征[3-4,23,74,79-80]，碳酸鹽飽和度的提高主要通過其中一種或兩種途徑：新陳代謝提高細胞周圍EPS 或者蛋白質(zhì)表層（S-layer）微環(huán)境中的pH值和鈣化所需離子濃度[3,81-84]。pH 值的提高主要通過以下兩個途經(jīng)：1）依賴于羧酶體中碳酸酐酶的活動，消耗細胞溶質(zhì)內(nèi)H+（或者產(chǎn)生OH-），促進反應(yīng)（1）向左進行，導(dǎo)致細胞溶質(zhì)內(nèi)OH-的增加，并輸出或擴散到細胞外；2）通過光合作用電子在葉綠體類囊體中的傳輸（圖5）和等離子膜中Ca2+或者H+的反向運輸（輸出Ca2+和輸入H+），促進的平衡反應(yīng)（2）和（3）向右邊進行，增加細胞表面PH 值和的濃度。離子濃度提高主要通過EPS中的碳酸酐酶將周圍環(huán)境進入的或細胞質(zhì)溢出的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，而增加其中的濃度；細胞周圍環(huán)境Ca2+和Mg2+的補充[86]和細胞內(nèi)Ca2+的輸出是Ca2+和Mg2+離子濃度提高的主要途經(jīng)。

圖5 活體藍細菌的光合作用碳濃縮機制促進的鞘鈣化綜合模型（據(jù)Kamennaya et al.[13]，Jansson et al.[41]和Riding[74]，有修改）NDH：還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）脫氫酶；CA：碳酸酐酶；PET：光合電子傳輸；Rubisco：二磷酸核酮糖羧化酶；Carboxysome：羧酶體Fig.5 Integrated model of in vivo cyanobacterial sheath calcification by CCM-enhanced photosynthesis(modified from Kamennaya et al.[13], Jansson et al.[41], Riding[74])

CCMs 導(dǎo)致藍細菌的鈣化主要是EPS 或S-layer內(nèi)發(fā)生的碳酸鈣沉淀，由于S-layer 不屬于EPS，本文不展開論述。如果整個鞘被碳酸鈣晶體侵染，鞘的外形就能被保存下來，保留藍細菌管狀或灌木狀等形態(tài)[11]，這便是我們常說的“藍細菌化石”，但它只是保持了細胞外形的EPS 鈣化產(chǎn)物而已，鞘內(nèi)的單細胞或毛狀體并沒有發(fā)生鈣化而是降解消失[11,74,87]。部分的EPS 鈣化后會從細胞表面脫落，而且會有新的EPS產(chǎn)生。如果藍細菌細胞完全被CaCO3包埋，由于不能攝取營養(yǎng)物質(zhì)而死去的現(xiàn)象也時有發(fā)生[86]。圖6 展示了現(xiàn)代美國巴哈馬灘中疊層石內(nèi)活著的藍細菌Dichothrix正在發(fā)生鞘的鈣化現(xiàn)象[88]。如果只是在細胞附近沉淀了一些孤立的晶體，就無法形成一個可保留的結(jié)構(gòu)，而是隨著EPS 的溶解而擴散到外部空間，以外來顆粒（如“白堊”）的方式釋放，在湖底或者海底堆積形成大量微米級碳酸鹽泥的沉積物[11,87,89]。白堊化現(xiàn)象是快速的大規(guī)模細粒碳酸鈣和有機質(zhì)的混合沉積，能夠?qū)е抡麄€湖泊水體變成牛奶狀[86,90]，例如北美密西根湖就曾經(jīng)發(fā)生過此類現(xiàn)象[81,91]。但是，現(xiàn)代海洋白堊化現(xiàn)象是如上所說浮游藍細菌鈣化還是灰泥的重新懸浮所致還存在較大的爭議[92-94]。

圖6 美國巴哈馬灘疊層石內(nèi)藍細菌Dichothrix 鞘的鈣化特征（據(jù)Planavsky et al.[88]）（a，b）鈣化的藍細菌絲狀體；（c）鈣化藍細菌絲狀體的SEM照片，細粒的文石沉淀在藍細菌細胞/毛狀體（T）周圍黏液狀的鞘（S）內(nèi)Fig.6 Calcification of cyanobacterial sheath of Dichothrix in a stromatolite layer in the Bahamas (after Planavsky et al.[88])

藍細菌通過光合作用導(dǎo)致鞘內(nèi)發(fā)生鈣化的兩個條件是低的溶解無機碳和高的鈣離子濃度[3,95-96]，且鈣化現(xiàn)象主要發(fā)生在現(xiàn)代淡水環(huán)境中，很少發(fā)生在海水[97]或超咸水環(huán)境中[14,98-100]。需要引起注意的是大多數(shù)藍細菌都具備CCMs的能力[101]，但不是所有都存在鈣化現(xiàn)象，特別是海洋環(huán)境中，同時也有報道藍細菌在沒有光合作用的情況下也鈣化的現(xiàn)象[102]。顯然藍細菌的鈣化作用機理仍然是值得深入探討的問題。

鈣化作用對藍細菌來說是把“雙刃劍”，既能保護細胞，例如使生活在淺水或高海拔地區(qū)的藍細菌免受高強度光照損害其光合作用機能，同時緩沖細胞周圍微環(huán)境由于光合作用升高的PH值，從而有利于高速率的光合作用[102]，也能導(dǎo)致藍細菌過度鈣化被包埋，特別是因鈣化加重而使浮游類沉沒于有利光照帶以下而死亡[84]。

2012年Science上報道了活著的藍細菌細胞內(nèi)形成不定形富鈣碳酸鹽[103]（圖7）的認識打破了人們對藍細菌只有細胞外鈣化唯一方式的固有認識，并且后來的研究顯示多達68 種藍細菌具有這一能力，并認為之前的研究忽視了這一重要現(xiàn)象[104-106]。雖然人們對藍細菌細胞內(nèi)鈣化現(xiàn)象的機理認識還不清楚，目前也沒有找到地質(zhì)證據(jù)支持地質(zhì)歷史時期的藍細菌也存在這一特性，但是這一進展開啟了藍細菌鈣化作用研究的新領(lǐng)域，可能挑戰(zhàn)著藍細菌鈣化作用的地質(zhì)記錄[107]。

圖7 藍細菌細胞內(nèi)不定形碳酸鈣沉淀的SEM 圖像（據(jù)Couradeau et al.[103]）Fig.7 SEM micrographs of amorphous CaCO3 incorporated in a cyanobacterium cell (after Couradeau et al.[103])

3.3 藍細菌死后的鈣化作用

成熟的微生物席通常是由高度有序組織的多個層狀微生物群落組成的有機共同體，包括頂部的藍綠色藍細菌層（生氧光合細菌）及向下緊鄰的棕色需氧異養(yǎng)細菌、中部的微紅—粉紅色紫色硫細菌層（不生氧光合細菌）、中下部的綠色硫細菌層（厭氧光合細菌）以及下部的硫酸鹽還原細菌層（厭氧異養(yǎng)細菌）[1,108-109]（圖8a，b）。藍細菌是共同體中有機質(zhì)（主要是EPS）的主要生產(chǎn)者，其他異養(yǎng)微生物均對EPS具有生物降解作用。

圖8 巴西東南部Vermelha 潟湖內(nèi)疊層石沉積特征（據(jù)Vasconcelos et al.[108]；Spadafora et al.[109]）（a）潟湖內(nèi)底部發(fā)育穹窿狀疊層石和從水中撈出的疊層石單體（高10 cm，寬30 cm）[109]；（b）疊層石頂部發(fā)育的微生物席微剖面，碳酸鹽（白色層）和未石化的有機質(zhì)層間互產(chǎn)出[108]。左邊標尺顯示剖面層厚大概3 cm，右邊顯示采樣位置；（c）層1中的鈣化藍細菌絲狀體沉淀方解石[108]；（d）和（e）層2和層3中的球狀和橢圓狀的高鎂方解石[108]Fig.8 Sedimentary features of stromatolite in Vermelha Lagoon, southwestern Brazil (after Vasconcelos et al.[108]；Spadafora et al.[109])

藍細菌死后的鈣化作用主要是微生物降解過程中及降解后的鈣化作用[17-20,110]，其中前者是微生物席內(nèi)鈣化作用的主要方式。這兩種鈣化作用是典型的有機礦化作用，分別稱之為生物誘導(dǎo)的礦化（biologically-induced mineralization）和生物影響的礦化（biologically-influenced mineralization），與生物控制的礦化（biologically-controlled mineralization）差異明顯[17-20]。生物控制的礦化作用強調(diào)生物的活動直接控制了礦物的成核、生長、形態(tài)和最終位置，形成生物外部或內(nèi)部的骨骼[111-113]；生物誘導(dǎo)和生物影響的礦化作用則強調(diào)有機質(zhì)對礦物形成過程的作用，其中前者必須是生物體存活時其新陳代謝活動改變了生物有機質(zhì)中礦物的形成條件（堿度、飽和度等），因此是一種生物活動的主動過程，而后者主要是源于生物（生物體分泌或分離開，或者遺跡和死亡有機體的副產(chǎn)物[110]）或非生物的有機物質(zhì)對礦物形成（晶體形態(tài)和組成）的影響作用，因此是一種被動過程[46]。因此，之前介紹的與藍細菌光合作用有關(guān)的鈣化應(yīng)該屬于生物誘導(dǎo)的鈣化作用。

微生物席共同體建造生長過程中不同功能微生物群落代謝過程能對碳酸鈣產(chǎn)生沉淀和溶解不同作用，大致可以分為6 種主要的化學(xué)代謝反應(yīng)，光合作用（包括生氧和不生氧）和硫酸鹽還原反應(yīng)通過增加微環(huán)境堿度（pH值）促進沉淀，而呼吸作用、硫化物的氧化反應(yīng)和發(fā)酵作用產(chǎn)生的碳氫酸和有機酸則很可能會導(dǎo)致碳酸鈣溶解作用的發(fā)生[11,46,114-117]（圖9）。因此，碳酸鈣沉淀程度取決于以上代謝作用導(dǎo)致的溶解和沉淀之間的平衡，且藍細菌EPS 的降解過程起到了重要作用[109]。

圖9 微生物席垂向微環(huán)境梯度中細菌群落的活動與碳酸鈣的沉淀—溶解作用（據(jù)Dupraz et al.[46]，Visscher et al.[116]，Visscher et al.[114]，Kazmierczak et al.[118]，有修改）（a）微生物席中氧氣、硫化物和pH 值在24 h內(nèi)的變化，剖面I 和II 分別為下午2 點和早上3 點的“地球化學(xué)快照”，可以最顯著地反映出微生物席在白天和黑夜之間的不同；當黑夜降臨時，由于光合作用的停止和異養(yǎng)細菌的消耗，微生物席很快就轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖醐h(huán)境[46,116]；（b）發(fā)生在一個典型的微生物席中的6 種主要化學(xué)代謝反應(yīng)，這些反應(yīng)按對碳酸鈣沉淀作用的影響分類;光合作用和硫酸鹽還原反應(yīng)通過增加微環(huán)境堿度而促進沉淀，而呼吸作用、硫化物的氧化反應(yīng)和發(fā)酵作用則很可能會導(dǎo)致溶解作用的發(fā)生；當黑夜降臨時，需氧細菌的活動逐漸停止，厭氧的異養(yǎng)微生物的活動開始占據(jù)主導(dǎo)地位；碳酸鈣的凈沉淀量取決于不同類型的微生物的新陳代謝活動及其時空分布及變化[46,118]Fig.9 Activity of microbial communities in a microbial mat under vertical microenvironment gradients leading to carbonate precipitation and dissolution (modified from Dupraz et al.[46]; Visscher et al.[116]; Visscher et al.[114] ; Kazmierczak et al.[118])

在海洋和超咸水微生物席中，硫酸鹽還原細菌在整個的微生物群落導(dǎo)致堿度變化而促進碳酸鈣沉淀過程中起到關(guān)鍵作用[46]，超過90%的缺氧呼吸作用都是硫酸鹽還原細菌完成[114]。硫酸鹽還原細菌生物降解EPS能夠釋放其中的Ca2+和Mg2+等離子，同時消耗了SO2-4和有機碳化合物，提高環(huán)境堿度[14,46,115]，從而產(chǎn)生生物誘導(dǎo)的鈣化作用。EPS 降解后的鈣化作用主要發(fā)生在微生物席底部，微生物席的這部分環(huán)境更為封閉，EPS在上部微生物降解帶內(nèi)被硫酸鹽還原細菌、產(chǎn)甲烷細菌等“終極”細菌降解后殘余的EPS能為碳酸鹽礦物的沉淀提供成核中心，同時其離子束縛能力在持續(xù)的離子供給條件下達到飽和，能產(chǎn)生自由的Ca2+和Mg2+等離子，影響微生物席底部的微環(huán)境地化性質(zhì)，進而在殘余的EPS 內(nèi)形成鈣化作用的場所，促進了碳酸鹽的沉淀[11,46,115-116]，產(chǎn)生生物影響的鈣化作用。堿性水體季節(jié)性上涌后的蒸發(fā)作用能形成以上條件產(chǎn)生鈣化作用[117]。

大量研究顯示藍細菌死亡后的有機物質(zhì)在降解過程中，由于異氧微生物的作用形成有別于藍細菌活體鈣化礦物的半球狀鎂方解石/文石[108]（圖8c～e）、亞微米級的不定形文石顆粒[118-119]、納米級球狀鎂方解石[99]、啞鈴狀高鎂方解石[120-122]，并且在已成鞘的絲狀體中，鞘的降解導(dǎo)致了厚度和連續(xù)性都可變的不規(guī)則的外殼[120]，鞘的形態(tài)和大小都發(fā)生了變化[27]。這些現(xiàn)象的普遍揭露甚至使得Altermannet al.[1]認為海相環(huán)境下藍細菌席的鈣化主要是被動過程，藍細菌的直接鈣化潛力和光合作用對鈣化過程的影響很微小，碳酸鈣的沉淀主要是通過在黏質(zhì)鞘和EPS 里的自溶和菌溶作用形成。

研究者注意到白云石的形成，包括成核和穩(wěn)定生長過程都與藍細菌的EPS 降解有很大的關(guān)系[123]。在氨基酸和源于氨基酸的有機質(zhì)降解帶內(nèi)非常高鎂含量的方解石和不完全有序的鈣白云石等富鎂碳酸鹽沉淀，形成白云石的先驅(qū)礦物[116,124-125]。值得重視的是，硫酸鹽還原菌[126]，適度適鹽需氧細菌[127]和產(chǎn)甲烷古細菌[128]等產(chǎn)生的EPS也是控制白云石沉淀的重要因素[129]。

4 藍細菌的EPS 在與其有關(guān)鈣化過程中的作用

藍細菌新陳代謝過程中產(chǎn)生的EPS 形成了與外界物質(zhì)交換的通道，并提供了微生物席內(nèi)異養(yǎng)生物重要的營養(yǎng)供給。Shearmanet al.[130]于1965 年第一次提到了EPS 在藍細菌鈣化中的作用。Merz-prei?[3]在2000 年注意到自然條件下分泌鞘的藍細菌才鈣化，而缺乏鞘的藍細菌不鈣化的現(xiàn)象，但也并不意味著所有在碳酸鹽豐富環(huán)境和具有鞘包裹的藍細菌都會有鈣化現(xiàn)象，并引起了廣大學(xué)者關(guān)于EPS 與鈣化作用關(guān)系的研究。

微生物席內(nèi)異養(yǎng)細菌，例如硫酸鹽還原細菌的EPS 生產(chǎn)潛力也被證實[131-132]，上述適度適鹽需氧細菌[127]、產(chǎn)甲烷古細菌[128]等其他微生物的EPS 在鈣化中的作用也受到重視。本文僅以微生物席內(nèi)最重要的EPS 生產(chǎn)者藍細菌為論述對象，介紹對與其有關(guān)的微生物鈣化作用的影響。

4.1 藍細菌結(jié)殼作用

（1）帶負電性 EPS形成藍細菌表面帶負電的微環(huán)境，能夠從周圍水環(huán)境中黏合Ca2+和Mg2+等二價離子并減少擴散速率[93]，改變礦物成核和晶體生長的動力學(xué)路徑[48]，有利于碳酸鹽的飽和而促進CaCO3的成核生長。EPS 中帶負電的有機物質(zhì)（例如多糖）控制了不定型碳酸鈣前驅(qū)的穩(wěn)定性[133]。

（2）提供成核位置 細胞表面EPS中的谷氨酸、天冬氨酸或者羧基、磺酸基等束縛Ca2+或者Mg2+的有序負電酸性功能團能成為初始的CaCO3成核位置[134]，同時EPS 還能降低方解石成核核心的界面自由能[84]，而促進藍細菌的鈣化作用。大多數(shù)藍細菌的鞘或者莢膜中碳酸鈣的飽和度都很高，但是方解石在多糖中的成核速率是由其酸度決定的?，F(xiàn)代泉華中主要由絲狀藍細菌產(chǎn)生酸性外聚物提供一致的顯微成核位置，形成層狀結(jié)構(gòu)的疊層石；球狀和絲狀藍細菌產(chǎn)生酸性或非酸性的外聚物，提供非均一的顯微成核位置，形成了凝結(jié)結(jié)構(gòu)的凝塊石[134]。

（3）高含水特性 有利于離子的聚集和濃縮[52]，促進Ca2+和Mg2+的吸附聚集。高含水的EPS 中部分有機大分子由于附著在晶體表面而限制晶體生長，但是如果這些大分子穩(wěn)固的附著在固體的基質(zhì)上時就有利于晶體的結(jié)核生長[135-137]。

4.2 藍細菌降解過程中的鈣化

EPS 的內(nèi)部特性（例如物理化學(xué)特性）通過影響飽和度和可用的成核位置對藍細菌降解過程中的鈣化作用起到了阻礙和促進碳酸鈣形成的雙重作用[46,138]。初始生成的EPS 由于對陽離子的吸附而阻礙鈣化作用，但生物（生物降解作用）或非生物（水解和紫外線的光解作用）的作用能夠改變EPS 對鈣化的阻礙作用[14,139]。

（1）阻止碳酸鈣的沉淀 酸性多糖等有機高分子能夠通過他們所組成的自由羧酸鹽、酸性氨基酸（例如天冬氨酸和谷氨酸）和（或）硫酸鹽基團來吸引和黏結(jié)二價陽離子，如Ca2+、Mg2+、Sr2+，并與其發(fā)生反應(yīng)[17,70]，但聚陰離子（能夠發(fā)生離子聚合反應(yīng)的陰離子）與Ca2+的結(jié)合能阻止其與CO23-的成核和結(jié)晶生長。EPS 的離子吸附能力導(dǎo)致自由的Ca2+從周圍溶液中移走而被消耗，從而限制了周圍環(huán)境中鈣碳酸鹽的沉淀[46]。具有豐富糖醛酸的多糖通過黏合Ca2+對鈣化晶體成核和生長具有調(diào)節(jié)功能，否則不受控制的鈣化會導(dǎo)致細胞的損傷[1]。因此，在堿性水體中即使對于文石或方解石是超飽和的，由于沒有自由的Ca2+而不能沉淀[46]，形成生物限制的“抗鈣化作用”[136]。

（2）促進碳酸鈣的沉淀 由于異氧細菌以藍細菌的EPS 多糖為食物，細胞溶素作用以及自動分解和水解作用使得EPS 和多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物中的Ca2+、Mg2+或者釋放，促進碳酸鹽過飽和以及沉淀，產(chǎn)生生物誘導(dǎo)的礦化作用，并且由此產(chǎn)生具有一定的離子有序度的CaCO3及其他礦物的微小不定型前驅(qū)[140-142]。通過現(xiàn)代研究實例證明，通過光合作用產(chǎn)生的總碳中有3%～4%來源于生成的EPS，之后在24 小時內(nèi)有40%～60%的新生成EPS 會被降解，凈EPS產(chǎn)率較低且維持在產(chǎn)生與消耗的動態(tài)平衡中[65]。新生成的EPS 通過絡(luò)合鈣離子并不能直接形成鈣化，當離子絡(luò)合達到飽和[117]，或者當EPS通過微生物或化學(xué)過程降解時，大量的鈣離子被釋放，形成自由的Ca2+、Mg2+或者HCO-3，促進鈣化的產(chǎn)生[14]。

4.3 控制鈣化過程及產(chǎn)物

（1）控制礦物的類型 藍細菌微生物席中CaCO3成核實驗證實EPS在鈣化層引導(dǎo)了文石晶體的形成；在非鈣化層引導(dǎo)了方解石的形成。EPS 的生物地球化學(xué)組成，特別是小的蛋白質(zhì)影響了CaCO3的礦物形成[15-16]。EPS中部分的溶解有機碳影響了Ca2+的絡(luò)合作用，從而降低了碳酸鹽的過飽和，使得溶解度低的方解石沉淀而不利于溶解度高的球霰石沉淀，并且EPS中的有機分子能阻止球霰石向方解石轉(zhuǎn)化[143]。

（2）控制礦物的形態(tài) 由于EPS 有機分子吸附在晶體表面并影響表面活性，同時膠狀的特性影響鈣離子的擴散、吸收、絡(luò)合[46]，從而限制了晶體的快速生長，形成球狀、啞鈴狀或光滑的菱形晶體表面[144]。EPS 能使得更小、更多和更圓的晶體形成，同時還能促進基于聚集的晶體生長機制[48,145]，形成球形小晶體聚集體[146]。但是需要注意的是，具有膠狀特性的非生物的硅膠中也能形成球狀、啞鈴狀、麥穗狀束或菱形的碳酸鹽礦物[147]。因此，化石記錄中球狀或啞鈴狀的形狀不是EPS有關(guān)的有機礦化直接證據(jù)[148]。

（3）控制礦物的穩(wěn)定性 細胞外內(nèi)層緊密結(jié)合的EPS 的數(shù)量、有機地化組成和結(jié)構(gòu)控制了其中沉淀的不定形碳酸鈣先驅(qū)礦物形成后向熱力學(xué)更穩(wěn)定方解石的轉(zhuǎn)化過程，有機大分子能穩(wěn)定不定形碳酸鈣，形成藍細菌免受細胞外不受控制碳酸鈣沉淀包埋的“保護機制”[84]。

（4）提供鈣化穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和晶體生長空間 藍細菌降解過程中，重新組織成相互連接且相對牢固的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠為鈣化形成疊層石提供穩(wěn)定的框架。同時形成的局限空間也能限制碳酸鈣礦物晶體的生長，約束晶體的大小[47]。

4.4 控制白云石的形成

自從Vasconceloset al.[149]在巴西LagoaVermelha海岸潟湖發(fā)現(xiàn)了與硫酸鹽還原細菌共生的鐵白云石，且通過模擬實驗證實嗜硫細菌明顯誘導(dǎo)了白云石的形成后，地質(zhì)學(xué)家普遍認為新陳代謝活動是低溫白云石沉淀的關(guān)鍵因素，“微生物白云巖”的概念開始盛行。但是隨后的實驗和實地考察中發(fā)現(xiàn)在沒有微生物參與或新陳代謝不活躍的情況下，一些有機大分子、尤其是羧基或羧基化聚合物仍然能夠誘導(dǎo)白云石的沉淀，說明起作用的并非微生物的生理活性[150-152]。值得注意的是包括藍細菌在內(nèi)的各種微生物的EPS 是白云石成核和生長的主要場所，為白云石成核提供了有機模板和有利的化學(xué)微環(huán)境，且EPS 中有機大分子能夠減緩碳酸鹽礦物從晶核狀態(tài)向化學(xué)計量晶體轉(zhuǎn)化的進程[153]。

（1）白云石初始成核：低溫情況下，不同降解速率的EPS 內(nèi)重新排列的酸性功能團組，可能導(dǎo)致糖類和氨基酸中帶負電的配體具有不同的調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)和吸附Ca2+和Mg2+的特征[69,116,139,142,154-155]，使其能夠成為白云石初始成核模板[20,156]。降解過程中EPS 中逐漸釋放到周圍溶液中的離子沉淀成不定形碳酸鹽礦物[141]，可能阻礙了一定程度的陽離子排列[142]。一旦有利的物理化學(xué)條件在穩(wěn)定情況下存在，不定形碳酸鹽礦物便能導(dǎo)致白云石的生長[156]。

實驗證實形成穩(wěn)定的超級核心（比臨界尺寸大的團簇）很關(guān)鍵，因為他們能自發(fā)生長[157]。EPS 中羧酸鹽有機物質(zhì)和細胞壁中的羧基具有使鎂脫水的功能是成核的主要機制[151-152]。死亡細胞由于排出水分子而使EPS 中羧基官能團吸附的[Mg（H2O6）2+]形成[Mg（H2O）5（R-COO）]+復(fù)合體，隨后CO2-3替代水分子在細胞壁外形成表層的MgCO3（H2O）4（R-COO）復(fù)合體，并在堿性條件下成為附著的Ca2+和另外的CO2-3成核模板成為團簇。這個機制需要穩(wěn)定提高的PH值而保持溶液中相對高的CO2-3離子活性[158]。

（2）白云石的穩(wěn)定生長：EPS中的有機大分子在降解和淺埋藏的成巖過程中持續(xù)提供的離子保持有利于白云石形成的Mg∶Ca 離子比例，持續(xù)保持淺埋藏白云石的沉淀反應(yīng)[123]。EPS 中羧化的高滲透性復(fù)合物對硫酸鹽還原和產(chǎn)甲烷微生物至關(guān)重要[159]，且對生物反應(yīng)的金屬離子進入淺埋藏成巖作用的貢獻對白云巖成核后的繼續(xù)穩(wěn)定生長具有重要作用[123]。因此，在地表下埋藏沉積物中EPS 的降解過程可以控制成巖白云石的形成。值得注意的是，大陸邊緣埋藏于幾百米下的腐泥中通過16S RNA分析發(fā)現(xiàn)具有和現(xiàn)代潮緣環(huán)境非常相似的微生物群體[160-162]，而且新近系與EPS共生的深海細晶白云石的存在是否預(yù)示更深的成巖白云石與EPS有關(guān)呢？

5 地質(zhì)意義及展望

5.1 地質(zhì)意義

藍細菌鈣化化石及生物（有機）礦物可以記錄整個地質(zhì)歷史時期新陳代謝演化過程[108]。藍細菌的鈣化產(chǎn)物是其與地球系統(tǒng)協(xié)同演化留下的寶貴地質(zhì)記錄，為我們打開了一扇窺探地球演化歷史及生命起源和演化奧秘的窗口。藍細菌的EPS在與其有關(guān)的微生物鈣化過程中作用研究的地質(zhì)意義體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）藍細菌鈣化化石本質(zhì)為細胞外鞘的鈣化作用的結(jié)果，微生物碳酸鹽巖就是微生物席內(nèi)EPS 有機礦化作用的產(chǎn)物。在完整微生物化石缺失的情況下，鈣化的EPS 也記錄著微生物與環(huán)境協(xié)同演化的重要信息。以藍細菌EPS與微生物席鈣化之間的關(guān)系為主要線索，探尋巖石記錄中微生物化石、生物（有機）礦物和EPS礦化產(chǎn)物與EPS之間的成因聯(lián)系，將有望獲得微生物地質(zhì)記錄形成原因的新認識。

（2）由現(xiàn)代藍細菌EPS 的屬性差異控制不同微生物碳酸鹽形成的研究結(jié)果引申出藍細菌進化和絕滅事件過程中EPS屬性變化控制了元古代和寒武紀界線凝塊石和鈣化藍細菌的爆發(fā)事件的重要推論[134]，為我們提供了一個從地質(zhì)事件中藍細菌EPS屬性變化的角度探索地質(zhì)歷史時期微生物碳酸鹽巖的形成和演化的新視角。

（3）通過對比分析能夠建立藍細菌EPS 屬性的變化與早期地球環(huán)境的一些邊界條件之間的關(guān)系，有望搭建微生物新陳代謝過程與古環(huán)境、古氣候協(xié)同變化之間的重要橋梁。探索古環(huán)境和古氣候波動過程中藍細菌EPS 的變化響應(yīng)及其導(dǎo)致的化石、生物（有機）礦物和EPS殘余物及礦化產(chǎn)物的相應(yīng)變化可能是我們獲得微生物新陳代謝活動與地球系統(tǒng)協(xié)同演化過程認識的新思路。但是，如何從礦化記錄中提取物理和化學(xué)信息重構(gòu)EPS 的變化，反演微生物礦化過程是我們面臨的一個重要難題。

5.2 研究展望

藍細菌EPS 在微生物鈣化過程中的作用研究日益受到地質(zhì)微生物學(xué)、微生物工程學(xué)和仿生學(xué)等不同領(lǐng)域研究者的重視，但只是觸及到冰山一角，關(guān)鍵機理問題還不得而知。受復(fù)雜成巖作用和變質(zhì)作用影響，EPS 殘余物及礦化產(chǎn)物將受到極大的改變，而且在取樣過程中EPS的殘余記錄仍然會發(fā)生改變甚至完全丟失。因此，在地質(zhì)記錄中探尋藍細菌EPS的變化及其與微生物鈣化作用的關(guān)系顯得尤為困難。針對上述困難和問題，就本文討論內(nèi)容提出以下研究展望：

（1）充分利用好“將今論古”這把金鑰匙，加強現(xiàn)代各類環(huán)境中藍細菌EPS和與其有關(guān)的微生物鈣化成因聯(lián)系和實驗?zāi)M研究，以期獲得地質(zhì)記錄的現(xiàn)代對等物和各類成因指標。同時，也要參考地質(zhì)時期的環(huán)境、氣候、構(gòu)造、生命演化等變量的影響，建立上述變量和藍細菌EPS有關(guān)的微生物鈣化之間成因聯(lián)系，并謹慎使用“將今論古”這把鑰匙。

（2）除藍細菌以外的各類微生物同樣也具有產(chǎn)生EPS的潛力[131-132]。它們在個體的礦化和微生物席的礦化過程中EPS 發(fā)揮的作用同樣應(yīng)受到重視，并注意它們與藍細菌EPS的識別和區(qū)分。

（3）微生物地質(zhì)學(xué)家們在探尋地質(zhì)記錄中微生物化石的同時，應(yīng)注重EPS 殘余物和礦化產(chǎn)物的特征分析，建立EPS 與微生物礦化以及生物（有機）礦物之間的成因聯(lián)系。

（4）現(xiàn)代沉積和模擬實驗分析均已揭示白云石的形成與微生物EPS 有很大關(guān)系[150,158]。加強地質(zhì)歷史中白云石分布與成因和微生物EPS之間的成因聯(lián)系研究，有望獲得白云石成因的新線索。

（5）充分利用現(xiàn)代高精度實驗技術(shù)和手段進行地質(zhì)樣品中EPS殘余物和礦化產(chǎn)物原位微區(qū)取樣和物理和化學(xué)信息的提取。原位微區(qū)取樣技術(shù)主要是掃描電鏡聯(lián)用的聚焦離子束，實驗過程要注意鎵離子和剝蝕對象的污染和對樣品的損害[163]。原位的地球化學(xué)分析包括掃描電鏡和拉曼光譜聯(lián)用[164]、透射電鏡及選區(qū)電子衍射[165]、掃描透射X射線顯微鏡及X射線吸收譜[166]、納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)等[167]，能夠獲得顯微成像、有機分子、晶體學(xué)、元素及同位素等原位信息。

（6）加強EPS的埋藏學(xué)分析，包括巖石記錄中的EPS 殘余物和EPS 的埋藏實驗?zāi)M兩個方面。EPS的埋藏多樣性與微生物席的沉積記錄存在最為緊密的成因關(guān)聯(lián)[168]。EPS 殘余物分析包括保存形態(tài)、物質(zhì)化學(xué)組分和生物分子等方面，目的是還原EPS 的物理和化學(xué)屬性。同時，EPS的埋藏實驗?zāi)M主要是分析EPS 在埋藏過程中的物理和化學(xué)性質(zhì)變化，為巖石記錄中殘余EPS的屬性反演提供模擬參數(shù)。

致謝 感謝兩位審稿專家給出的意見和建議。