微生物碳酸钙化实验研究

王 伟，赵 敏，刘 妍

(西北大学地质学系 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)

微生物沉积作用在前寒武纪地层中普遍发育，在显生宙的一些地层中也较为发育。微生物岩是由底栖微生物群落捕获和粘结碎屑沉积物或以它们为矿物沉淀中心而形成的生物沉积岩[2]。微生物碳酸盐沉积是由底栖的原核或真核微生物群落通过捕获和粘结碎屑颗粒，或者由微生物引发的碳酸盐沉淀加积而成的碳酸盐沉积物[3]。微生物碳酸盐不但可以构成生物礁的主要框架，还可形成纯微生物碳酸盐构造。自前寒武纪以来，大量微生物碳酸盐岩发育于中新元古代和早古生代，包括叠层石、凝块石、树形石和均一石等[4]。微生物群落和微生物碳酸盐沉积与古气候、古环境和重大生物事件的关系十分密切。迄今为止的研究普遍认为微生物碳酸盐的沉积作用在大多数古生代碳酸盐建造中都很普遍，并认为微生物群落和微生物碳酸盐沉积的繁盛一般与地球重大变化时期的环境和气候变化有关[5]。

自然界中某些微生物可以通过其自身的生命活动，与周围环境介质之间不断发生各种作用，逐渐矿化形成胶结物质方解石。再经过漫长时期的积累，最终可以将自然界中沉积的疏松碎屑物质胶结形成坚硬的岩石[6]。现代生物碳酸钙化实验为碳酸钙质化石鉴定、碳酸盐地层的成因的探讨提供了有益的参考。碳酸钙化实验虽然不能完全模拟地质历史上碳酸盐岩形成的实际复杂过程，但实验方法及结果可能有助于对这一复杂过程的初步认识。

1 实验材料与方法

1.1 菌种的获取

自然条件下有机成分降解主要由微生物参与，球状细菌是其中的常见微生物类型，由于其结构简单，易于识别，因此是微生物碳酸盐化实验的良好材料。实验采用水淹致死的新鲜马陆作为微生物培养材料，以马陆自然腐败过程中存在的球状细菌群落作为实验研究对象。

1.2 实验过程

取西安兴庆公园湖水，经滤网滤除大颗粒杂质，作为实验用天然水。称取适量CaCO3充分溶于实验用湖泊水，用盐酸调溶液pH值为8(pH误差范围7.5～8.5)，配制CaCO3浓度为1 000 ppm的碳酸钙溶液。取两组250 ml广口瓶，每组广口瓶内均置入马陆二至三条。其中一组烧瓶加入250 ml实验配置1 000 ppm碳酸钙溶液并浸没马陆样品，进行人工碳酸钙化环境实验;另一组广口瓶加入250 ml实验用湖泊水并浸没马陆样品，进行非碳酸钙化环境对照实验。模拟常温(5℃ ～35℃)常压(1×105Pa)下。所有样品在实验室内静置保存，分别处理五至七个月后取样观察。

1.3 电镜制样

分别对在碳酸钙化环境处理七个月以及非碳酸钙化环境处理五个月的球状细菌进行扫描电镜(SEM)观察及元素能谱(EDS)分析。由于长时间的腐解，马陆已形成中空结构，中间的软组织已经完全降解，外骨骼环节结构出现脱节现象。因此，选取两组实验马陆的脱落体节作为电镜样品。所有样品经蒸馏水多次清洗后进行酒精梯度脱水(30%，50%，75% ，85% ，95% ，9，5%)，自然干燥后制样。

2 实验结果

2.1 人工碳酸钙化环境实验结果

图1是在实验室环境腐解七个月的马陆样品扫描电镜图像，图像(如图1，2、表1)显示马陆表皮组织外表面有大量碳酸钙化状态的球状细菌存在。碳酸钙化的球状细菌直径5～15 um。细菌表面吸附有大量碳酸盐微颗粒，大小较均匀。观察发现球状细菌表面的碳酸钙微颗粒吸附状态有多种:部分细菌表面只有单层碳酸钙微颗粒吸附，且颗粒吸附均匀;部分细菌表面吸附碳酸钙明显较厚，由厚层碳酸钙微颗粒堆积而成，分布不规则。

图1 1 000 ppm碳酸钙溶液浸泡七个月后的细菌样品 (扫描电子显微镜图像)

图2 1 000 ppm碳酸钙溶液浸泡七个月后球状细菌表面区域元素能谱分析图

表1 1 000 ppm碳酸钙溶液浸泡七个月后球状细菌表面能谱分析元素表

2.2 非碳酸钙化环境对照实验结果

图3显示非碳酸钙化环境处理五个月的细菌样品，扫描电镜图像，部分腐败的马陆表皮组织表面具有大量处于生物状态的球状细菌(如图3，图4、表2)。细菌为球状.直径10 um左右，表面光滑，具生物特征。观察发现无碳酸钙颗粒吸附。细菌表面区域EDS分析也证实细菌主要由有机成分组成，其表面无碳酸钙存在。

图3 实验湖泊水浸泡五个月后的细菌样品 (扫描电子显微镜图像)

图4 实验湖泊浸泡五个月后的细菌表面区域元素能谱分析图

表2 实验湖泊浸泡五个月后的细菌表面能谱分析元素表

3 实验结果分析

实验发现人工模拟碳酸钙化环境处理七个月的球状细菌发生了明显的碳酸钙化作用。通过分析球状细菌不同的碳酸钙化状态，可以将球状细菌的早期碳酸钙化作用分为两个阶段。首先，球状细菌表面均匀吸附一层碳酸钙微颗粒，再一层层的吸附堆积，形成厚层结构。

在微生物碳酸盐岩形成过程中，无论是微生物对沉积物的捕捉、粘附还是原地碳酸盐的沉淀，起关键作用的是微生物胞外聚合物、微生物膜及微生物席，它们是微生物碳酸盐岩形成的生物基础[7]。微生物胞外聚合物主要聚集于细胞外，形成一种具粘结性的基质，使得微生物附着于基底之上，能够提供物理和化学保护作用。微生物膜是由生存于微生物胞外聚合物中的一薄层细菌群落组成，附着于需水环境的基底。微生物膜在合适的生态条件下继续生长而形成较厚的、较明显的层而被定义为微生物席。

现代生物岩石模拟实验无法完全模拟地质历史中的岩层的形成环境及过程[8]，因此实验结果往往难以与特定的岩层材料进行对比，然而我们却不能因此放弃对生物岩层过程的实验实证探索。通过更好地设计实验环境，合理地选择实验材料，现代生物岩石实验实证结果可以为理解地史中生物岩层的复杂过程提供更多信息。

4 结语

微生物碳酸盐岩是微生物与沉积环境相互作用形成的产物，对微生物碳酸盐岩的研究在揭示古生物与沉积环境关系以及对岩相古地理重塑发挥着巨大作用。

人工控制条件下进行碳酸钙化，球状菌在该环境下可以快速发生碳酸钙化。但是其它影响碳酸钙化的因素有待研究。

微生物碳酸盐岩的矿物组分非常简单，但由于其种类繁多，形成过程复杂，微生物证据匮乏，因此，对微生物碳酸盐岩的研究具有一定的难度。只有对微生物岩进行客观观察、描述和分类研究，才能对其形成机制、沉积模式做出科学的分析和解释，需结合地层学、沉积学、古生物学以及埋藏学等其他学科的综合分析，才能对微生物岩地质意义做出正确推断。

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