海洋微生物与铁锰结核（壳）相互作用机制的初步研究

发布时间：2020-08-06 12:25

【摘要】：为了解海洋微生物在铁锰结核(壳)形成过程中发挥的作用,深化对微生物与铁锰结核(壳)关系的认识,进一步充实微生物-矿物相互作用和铁锰结核(壳)的生物成矿过程的研究,还原大洋铁锰结核(壳)的形成过程。我们采用三种海洋微生物分别与大洋铁锰结核(壳)进行了关于生物作用对铁锰结核(壳)元素迁移及矿物组成影响的研究,旨在深入探讨两者的相互作用机制。本研究所采用的三种海洋微生物是盐场海芽孢杆菌(Marinibacillus campisalis)、亚硫酸杆菌(Sulfitobacter)和芽孢八叠球菌(Sporosarcina)。通过X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)多种方法,分析微生物对铁锰结核(壳)元素迁移的影响;通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)等多种方法,分析微生物对铁锰结核(壳)中矿物组成的影响。通过研究主要得到了以下结果:铁锰结核(壳)的主要矿物是高岭石和斜长石,主要分布在核心部分,还有少量的石英、方英石以及菱铁矿、赤铁矿等铁矿物,壳层矿物含量低,主要含有铁锰矿物,富集大量Fe、Mn、Ti、Co、Ni、Cu等金属元素。微生物能够促进铁锰结核(壳)的主要金属元素的溶解释放,同时也对这些元素有生物成矿的作用,其中盐场海芽孢杆菌对Fe、Mn、Co、Ni、Cu都有较强的溶解释放作用,对Fe、Mn、Co、Ni有较强的生物成矿作用;亚硫酸杆菌对Mn、Co有较强的溶解释放作用,对Ni有较强的生物成矿作用;芽孢八叠球菌对Fe、Mn、Co、Cu有较强的溶解释放作用,对Fe、Mn、Co、Ni有较强的生物成矿作用。通过微生物的生物成矿作用,能够在细菌菌体表面形成新的矿物。在微生物的作用下,铁锰结核(壳)中的斜长石以及菱锰矿、菱铁矿、赤铁矿和针铁矿等铁锰矿物含量有不同程度的增加。基于本研究,我们认为微生物-铁锰结核(壳)相互作用的机制主要是:微生物能通过酶、代谢产物或者各种分泌物的作用,溶解破坏铁锰结核(壳),进而释放出壳层的主要结构元素,如Fe、Mn、Co、Ni、Cu等,产生各种金属离子;同时又由于微生物自身所独有的特性,能够通过生物成矿作用高效地利用周围环境中的金属离子,随着时间不断增加进而形成新的矿物,如各种铁锰矿物。并由此推测在大洋环境中,海洋微生物能够通过生物成矿作用促进海水中金属元素的富集成矿,进而对铁锰结核(壳)的形成起到促进作用。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q938.8
【图文】：

海洋微生物与铁锰结核（壳）相互作用机制的初步研究的特性分别影响地质作用的化学过程和物理过程，在高温高压下发生的化学和物理过程，可以在地表环境常温常压条件下，通过微生物的生物化学作用和生物物理作用实现，形成在较高地质温压下才能形成的矿物乃至岩石（谢树成等，2016）。例如嗜盐古菌、硫酸盐还原菌等微生物能够通过多种途径在地表环境沉淀白云石（Zhang et al., 2015; Zhang et al., 2012; Sánchez-Román et al., 2008; Vasconcelos etal., 1995）；异化铁还原菌、硫酸盐还原菌等能实现蒙皂石的伊利石化，并能形成一些长石类自生矿物（Jaisi et al., 2011; Kim et al., 2004）；还有一些微生物能够在地表常温常压环境直接形成一些热力作用才能产生的地质脂类（Xie et al., 2004;Ries-Kautt et al., 1989; Quirk et al., 1984）。

微生物接种与培养采用涂布平板法将冻存在-80 ℃冰箱中的 3 种微生物菌种分别接种到培养皿的固体培养基中，在 25 ℃恒温培养箱中培养 2~3 天后，用接种环刮取培养皿中培养好的细菌，接入装有液体培养基的锥形瓶中进行活化，以上操作均在无菌操作台中进行。随后将装有活化细菌的锥形瓶放入摇床，120 r/min、25 ℃培养 1天。2.1.2 大洋铁锰结核（壳）实验铁锰结核（壳）样品系 2014 年“科学号”考察船西太平洋航次采自东菲律宾海，水深约 4092 m。选用的大洋铁锰结核样品直径约在 2 厘米左右，呈黑色圆球状、瘤状，剖面特点为外层黑色薄壳包裹内部沉积物，见图 3.1（左）；铁锰结壳样品大小约为 10×12cm，呈黑色壳状，剖面特点为外层黑色壳体包裹内部沉积物，见图 3.1（右）。

图 3.1 相互作用实验最终产物照片3.1 Pictures of final products from the microbe-ferromanganese nodulinteraction experiment生物物的生长曲线取的微生物在摇床 120 r/min、25 ℃条件下的生长曲线见种海洋细菌的生长曲线比较相似。在最开始的4小时内均稳；随后在 5 h~24 h 内均处于对数生长期，细菌的数量迅升高，代谢旺盛，最适宜接种至反应溶液中；24 h 后，均的生长速率逐渐降低，数量比较稳定，生长曲线平稳，随菌逐渐开始衰亡。

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本文编号：2782400