岩溶洞穴微生物沉积碳酸钙研究及其环境意义

摘要

洞穴沉积物研究用于恢复重建相关地区吉气候环境，并探讨过去、现在以及未来地球气候变化趋势是当今岩溶洞穴研究的热点，但是洞穴沉积物影响因素众多，其同位素信息常存在异常分布难以解释的现象。
　　为了解洞穴微生物沉积碳酸钙作用对洞穴沉积物沉积过程的影响，本研究结合传统生物学方法与现代分子学技术，采集贵州中西部地区四个岩溶洞穴沉积物表面的微生物样品。利用B-4培养基对洞穴细菌进行筛选和纯化，分离出能沉积碳酸钙的菌种。观察和了解洞穴细菌形成的CaCO3晶体，应用X射线衍射分析仪(XRD)分析细菌形成的CaCO3晶体成分。并利用扫描电子显微镜(SEM)观察晶体结构特征，探讨了洞穴微生物沉积碳酸钙菌种的广泛性及沉积作用的普遍性。
　　在此基础上，为进一步研究微生物沉积作用对其生存环境的酸碱性、离子浓度、沉积量的影响，本研究从有现代监测的石将军洞进行微生物的二次取样。结合洞穴监测数据和理化背景资料，利用B-4和B-4C培养基进行了微生物沉积过程的理化条件分析。并进一步模拟洞穴滴水动态过程研究微生物沉积碳酸钙作用，结合洞穴原始沉积物的晶体形态特征及同位素信息，对微生物沉积碳酸钙作用对原始洞穴沉积作用的影响做一探讨。得出以下具体结论:
　　1.本研究为筛选沉积碳酸钙菌种，从贵州中西部的岩溶洞穴中进行了两次微生物取样。初次选择四个岩溶洞穴进行取样，4个洞穴中都筛选到能沉积碳酸钙的菌种，共筛选出31株单菌分离培养，其中12株表面产生大量的白色颗粒物或固体结晶。并对有现代监测的石将军洞进行了二次取样，筛选出18株能沉积碳酸钙的菌种，且多个取样点都存在编号为SJ J-8-7的同类菌种。经菌种鉴定SJ J-8-7为诺卡氏菌属，该菌属广泛存在于土壤中。菌株筛选结果表明，土壤微生物由裂隙水或管道水被带入洞穴，且在洞穴中广泛存在，对洞穴沉积过程产生影响。
　　2.菌种筛选和模拟试验后，对微生物沉积碳酸钙的晶体形态、元素、晶型等进行分析。XRD结果显示:在无Mg2+的B-4培养体系中主要以方解石、球霰石或者二者的混合为主，而在同时添加了Mg2+和Ca2+的B-4C及D-4体系主要以方解石的形式存在。此外，石将军洞3个微生物取样点处的次生沉积物除方解石外，存在文石晶体。但本研究中未见文石晶体，也未见其他形式的碳酸钙沉积物。元素分析显示，与洞穴取样点原始沉积物一致，微生物沉积物主要以C、O和Ca为主，未见Mg。这表明Mg2+的存在可能更利于微生物沉积环境的稳定从而形成了方解石这种稳定相的碳酸钙晶体形态，较低的Mg/Ca比值如本研究中1∶2条件下微生物并不会沉积文石晶体，微生物沉积文石的机理还需要进一步研究。
　　3.模拟试验发现，微生物通过改变自身生存环境的Ca2+浓度、pH等促进沉积作用的发生。随着细菌的生长繁殖，细菌培养液pH值逐渐增大并趋于稳定，pH值的增幅越大沉积量也相对越多，同时，培养体系Ca2+浓度显著下降。这种高幅度改变实验体系的酸碱度，与微生物通过代谢活动大幅度提高所处环境pH值以便Ca2+达到饱和状态从而排除细菌生理性的毒性压力有关。
　　4.洞穴微生物中沉积碳酸钙的不同菌种可能对实验体系的稳定性扰动程度不同，而且这种扰动程度反应在对各理化性质的改变幅度，最终对形成的晶体结构产生作用。本研究中微生物沉积碳酸钙晶型众多，其中大部分是多见于生物作用形成的碳酸钙形态，如柱状体、鞋状、杆状、六边形、四方体层状、斜六方体、半球状以及几何与半球结合形态，这些晶型较少见于化学作用体系。同时，众多晶体结构中都存在类细菌形态和大小的孔洞，晶体中微生物作用痕迹明显，微生物作用贯穿于整个沉积过程。微生物沉积碳酸钙晶体的这种特殊形态可成为地质研究中区分微生物成因与非微生物成因的碳酸钙沉积的重要依据。
　　5.碳同位素分析表明，模拟体系细菌沉积物的δ13CPDB相对于洞穴次生沉积物的δ13CPDB偏负趋势较大，其均值相差-16.814‰，微生物沉积碳酸钙可能会具有更为负偏的碳同位素。此外，静置条件下微生物沉积物较动态模拟条件下微生物沉积物δ13CPDB偏重10‰左右，这可能与菌种自身对实验体系的扰动性不同密切相关，即实验体系越不稳定，微生物沉积碳酸钙碳同位素则越负偏，反之亦反。
　　微生物沉积碳酸钙作用会与其他洞穴沉积过程影响因素相互耦联发生作用，这使得洞穴微生物沉积碳酸钙的环境意义研究尤显复杂。因此，洞穴微生物沉积碳酸钙研究中不仅要注重各类理化条件的对比分析;更要考虑微生物沉积过程同原始洞穴沉积过程的对比研究，从而获得微生物沉积作用对洞穴原始沉积过程的具体影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 微生物沉积作用发展研究

1．2．2 微生物沉积在环境科学中的应用研究

1．3 研究内容与拟解决的关键问题

1．3．1 研究内容

1．3．2 拟解决的关键问题

1．4 技术路线

第2章 研究区概况及实验方法

2．1 研究区的自然地理概况

2．2 样品采集及实验方法

2．2．1 样品采集

2．2．2 野外监测及分析方法

2．2．3 实验方法

2．2．4 实验室数据分析

第3章 洞穴中碳酸钙沉积菌种的筛选及初步研究

3．1 沉积菌种的筛选

3．2 实验体系Ca2+浓度变化

3．3 固体培养基沉积碳酸钙矿物分析

3．4 本章小结

第4章 洞穴微生物沉积碳酸钙理化条件分析研究

4．1 石将军洞洞穴微生物筛选初步结果

4．2 石将军洞洞穴滴水及沉积物特征分析

4．3 室内微生物沉积晶体结果

4．3．1 碳酸钙沉积量的影响因素分析

4．3．2 微生物沉积量体形态及特征比较分析

4．4 洞穴微生物沉积碳酸钙理化条件分析研究的意义

4．5 本章小结

第5章 洞穴微生物沉积碳酸钙的模拟实验与原始沉积作用的对比研究

5．1 洞穴微生物沉积碳酸钙的模拟实验结果

5．1．1 实验体系pH值及Ca2+、Mg2+条件分析

5．1．2 微生物沉积碳酸钙晶体形态及元素特征

5．2 沉积碳酸钙菌种的鉴定结果

5．3 洞穴微生物沉积碳酸钙的模拟实验与原始沉积作用的对比分析

5．3．1 晶体成分对比分析

5．3．2 晶体形态特征对比分析

5．3．3 沉积物碳同位素对比分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

作者简历