富含微生物体系内温压条件对自生碳酸盐岩和铁硫化物形成的影响

魏铭聪，许天福，贝科奇，金光荣，刘肖，曹玉清，刘娜

1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021 2.吉林大学地球科学学院，长春 130021

0 引言

自生矿物主要包括碳酸盐类、硫化物类、硫酸盐类和自然铝[1-4]。其中，碳酸盐和铁硫化物是海洋沉积层中重要的矿物，可指示特殊的沉积环境，是天然气水合物存在的重要标志。海洋中碳酸盐的形成和沉积使得地球表面80%的碳被固定[5]，因此，碳酸盐也是地球上重要的储碳物质。

碳酸盐和铁硫化物的形成是复杂的反应动力学和热力学过程[11]。研究发现，压力影响动力学过程，压力升高，海水中硫化氢和二氧化碳气体分压(pH2S、pCO2)增大[12-13]，pH降低，pS2-(S2-的对数值)升高，当达到临界值时，自生碳酸盐和铁硫化物分别产生溶解和沉淀。同时，温度在自生碳酸盐和铁硫化物形成过程中起着至关重要的作用。Rickardetal.[14]在25 ℃～125 ℃条件下研究铁硫化物与H2S反应形成黄铁矿的反应机理时，发现反应的阿仑尼乌斯能与温度相关，温度直接控制着反应电子能和FeS的活性。Morseetal.[11]通过实验发现，温度会影响文石和方解石的沉淀比例，温度较高时，文石沉淀多；相反，方解石沉淀较多。前人对于碳酸盐和黄铁矿的研究，取得较多成果。然而，模拟海底条件，还原自生矿物早期形成过程的实验研究暂未开展。

自生碳酸盐和铁硫化物的形成是复杂的微生物地球化学过程，在实验室开展相关研究难度较大。以往研究碳酸盐和铁硫化物形成实验时，多无微生物的参与[11-12,14]，亦无模拟海底的温压条件。本文报道由自主研发的反应系统，模拟海底低温高压条件，用于研究微生物作用下自生矿物形成的温压条件。利用此系统，在低温高压、饱和甲烷条件下，模拟海底水化学环境及微生物条件，探讨温压对水化学环境及自生碳酸盐和铁硫化物形成的影响。以期还原自生矿物的早期形成过程，明确自生矿物的形成机理。

1 材料与方法

1.1 菌种富集与母菌制备

从某石油污染场地取含油黑色淤泥样品(取样点位于潜水位下部的厌氧沉积层)。将样品装入充满氮气的三层PEI铝袋中，在4 ℃下保存。将保存的样品在厌氧操作台中，注入到去氧灭菌水中并震荡静置；取上清液转接入液体培养基[10,15]。微生物的培养操作据文献[15]。

重复上述步骤两次，获得的浓度较高和菌种组分稳定的母菌(经鉴定硫酸盐还原菌和甲烷氧化菌超过总菌量的30%)，用于反应釜实验。

1.2 低温高压反应装置

海底甲烷渗漏区存在一个厚度小于60 m、温度低于15 ℃的缺氧沉积带—硫酸盐还原—甲烷厌氧氧化带(Sulfate-Methane Transition Zone, SMTZ)[13,16-17]，自生碳酸盐和铁硫化物在此带分布广泛且含量较高[18-21]。

SMTZ所处水深一般为几百至几千米，压力在几十至几百个大气压之间，温度处于0 ℃～15 ℃之间[2,4,22-23]。在进行实验装置设计时，应使实验温压与SMTZ接近。同时，应保证设计的实验装置在上述低温和高压条件下能正常运行。为实现研究目标，自主设计了符合上述条件的实验装置。实验装置及其主要技术指标如图1和表1。

1.3 反应溶液和实验步骤

反应溶液组分及其入釜前处理据文献[15]。实验步骤主要包括菌液注入、温压调节、取样测试和矿物分析四个步骤，具体如下：

图1 低温高压模拟实验装置示意图[15,24]1.反应釜系统；2,6，10，12，14.控制阀；3.温度传感器；4.振荡器；5.压力传感器；7.真空泵；8.静音空压机；9.增压泵；11.流量计；13.微生物容器；15.平流泵；16.数据采集装置；17.取样口Fig.1 Schematic diagram of simulate experiment of low temperature and high-pressure reactor[15,24]

表1 反应釜主要技术指标

(1) 将母菌注入已灭菌的微生物容器中，保持控制阀14(图1)处于拧紧状态，随后拧紧阀12；将灭菌后的石英砂200 g和花岗岩磨片(Granite abrasive disc, GAD，由石英、钠长石和钾长石组成)两片装入反应釜中；继续往反应釜中注入灭菌后的反应溶液670 mL，将保存于微生物容器内的母菌注入反应釜内。

(2) 当反应釜内达设计实验温度并稳定后，往反应釜内注入甲烷气体直至压力达到实验所需。待温度和压力都保持稳定后，开始第一次取样，此时实验时间记为0。

(4) 实验结束后，从釜中取出花岗岩磨片，用酒精洗表面，烘干后编号，在密封干燥条件下送至矿物分析鉴定中心，进行测试。

1.4 分析方法

通过吉林大学古生物中心实验室配置的JSM-6700F型扫描电镜(Scanning electron microscope, SEM)和INCAX-SIGHT型能谱仪(energy-dispersive X-ray spectrometer, EDS, Oxford, UK)，分别对自生矿物的形态和组分进行观察及鉴定。

1.5 反应条件

实验过程中，反应釜内压力由甲烷气体提供。低温条件下，当压力过高时，容易破坏甲烷在系统内的三相平衡，形成甲烷水合物[25-27]。其形成会使反应釜内液相体积减小，影响测试结果。为防止次生甲烷水合物生成，并结合甲烷渗漏区沉积层的温度和压力条件，选定了实验温度和压力(表2)。实验组1，2和3，探讨不同温度对自生矿物形成的影响。实验组4，5和6研究在10 ℃时，不同压力对自生矿物形成种类及形态的影响。

表2 实验温度和压力

2 结果

2.1 不同温度

2.1.1 水化学性质和组分

不同温度下pH在6.5～7.4之间变化(图2C)，表明温度的改变，对pH的影响不大。在不同温度的甲烷渗漏区沉积层的孔隙水中，pH一般保持在5.2～7.9之间[16,32]。因此，可以断定，在甲烷渗漏区沉积层物质变化过程中，pH保持在一个相对稳定的区域内。ORP随时间先下降后逐渐达到稳定，最终维持在负值(还原环境)；温度升高，ORP(负值)越大(图2D)。从图2B和2D可以看出，S2-浓度与ORP之间存在较好的相关性，这与前人的研究相同[33]。

2.1.2 自生矿物

方解石、白云石、文石、镁方解石和黄铁矿是海底甲烷渗漏区沉积层中分布较为广泛的自生矿物[1-2,5,34-35]。图3，图4和图5显示，本次实验中形成的自生矿物种类(白云石和镁方解石未列出)与实际甲烷渗漏区相似，且自生矿物在SEM下呈亮白色和灰色。

图3是5 ℃，8 ℃和10 ℃条件下形成的碳酸钙在SEM下的形态。图3a中碳酸钙矿物呈三棱柱和不定型块状，图3b和3c中分别呈棱块状和砾状。结果表明，不同温度下碳酸钙形成分布较少。

图4显示不同温度下形成的菱铁矿的形态：5 ℃形成的菱铁矿呈长方体状(图4a)，10 ℃中呈花簇状(图4c)，8 ℃中分布较散却无固定的形态。统计不同温度下菱铁矿分布时发现，温度升高，分布增多。

图5a中铁硫化物呈块状，分布较少；图5b中铁硫化物呈圆球状和棒状，分布范围较广；图5c中铁硫化物未形成较好的形态，但分布面积较大。对比实验结果发现：铁硫化物分布范围从小到大分别为5 ℃，8 ℃和10 ℃。结合图2B推断，温度升高，S2-浓度越高，利于铁硫化物形成。

2.2 不同压力

2.2.1 水化学性质和组分

图2 5 ℃，8 ℃和10 ℃中离子组分和水化学性质随时间的变化Fig.2 Changes of ion componets and water chemical properties over time in experiments process at 5 ℃, 8 ℃and 10 ℃

图3 不同温度下碳酸盐形态对比(方框圈出部分)(左至右分别放大2 000，1 500和2 000倍)Fig.3 SEM images of calcite minerals morphology at different temperatures(minerals were surrounded by square) (they are respectively amplified 2 000, 1 500 and 2 000 times from left to right)

图4 不同温度下菱铁矿形态对比(方框圈出)(左至右分别放大2 000，1 000和1 500倍)Fig.4 SEM images of siderite minerals morphology at different temperatures(minerals were surrounded by square and pointed out by arrow) (they are amplified 2 000, 1,000 and 1 500 times from left to right, respectively)

图5 不同温度下铁硫化物形态对比(黄色方框圈出和箭头指出)(左至右分别放大1 100，1 500和1 000倍)Fig.5 SEM images of iron sulfide minerals morphology at different temperatures (minerals were surrounded by square or pointed out by arrow) (they are amplified 1 100, 1 500 and 1 000 times from left to right, respectively)

图6D是不同压力下ORP随时间变化的曲线。实验4前期先上升后下降再上升，最后保持稳定，变化范围为-262.0～-2.5 mV；实验5中，ORP整体呈下降趋势，变化范围为-83.6～137.0 mV；实验6表现为先下降后上升，最后下降，ORP变化范围为-162.0～136.6 mV。三组实验中，ORP最终维持在-180.0～-50.0 mV之间，可以推测此区间利于微生物生长代谢。结合图6C和6D可知，S2-浓度变化范围越大，ORP变化范围也越大，即S2-浓度和ORP变化范围呈正相关关系。因此，HS-是引起系统内ORP变化的重要离子[29]。

2.2.2 自生矿物

图7、图8和图9是不同压力条件下形成的自生矿物在SEM下的型态，经EDS分析发现，主要有碳酸钙、菱铁矿和铁硫化物。图7a显示，莓状碳酸钙呈灰色；图7b中碳酸钙呈块状和长方体状，多处有分布；图7c中碳酸钙为砾状，较少分布。菱铁矿在图8a中呈分散状形成于表面；在图8b中呈较大的梯形块状；在图8c中呈块状，少数与铁硫化物共生。铁硫化物在实验4和5中形成和分布较少，分别呈片状和块状(图9a,b)；图9c中铁硫化物有较多的分布，呈棒状和圆饼状，与菱铁矿交互重叠共生。综合三组实验中矿物分布发现：2.5 MPa条件下自生碳酸盐分布最广，其次为5.0 MPa，7.5 MPa最少；自生铁硫化物的形成分布规律与碳酸盐相反。可以推断，压力提高，利于铁硫化物形成；相反，利于碳酸盐形成。

3 讨论

3.1 温度和压力对碳酸盐矿物形成的影响

3.1.1 温度

CH4+SO2-4→HCO-3+HS-+H2O(1) 2CH2O+SO2-4→2HCO-3+H2S(2)过程1 Ca2++HCO-3↔CaCO3+H+(3) Fe2++HCO-3↔FeCO3+H+(4) Ca2++Mg2++2HCO-3↔CaMg(CO3)2+2H+(5)过程2

图6 2.5 MPa，5.0 MPa和7.5 MPa实验过程离子组分和水化学性质随时间的变化曲线Fig.6 Changes of ion componets and water chemical properties over time in experiments process at 5 MPa, 8 MPa and 10 MPa

图7 不同压力条件下碳酸钙矿的物形态(黄色方框圈出)(左至右分别放大1 600，1 000和1 900倍)Fig.7 SEM images of calcite minerals morphology under different pressures(minerals were surrounded by square)(they are amplified 1 600, 500 and 3 000 times from left to right, respectively)

图8 不同压力条件下菱铁矿的矿物形态(黄色箭头指向和黄色方框,左至右分别放大500，2 000和1 800倍)Fig.8 SEM images of minerals morphology under different pressures (minerals were surrounded by square or pointed out by arrow) (they are amplified 1,000, 2,000 and 1,800 times from left to right, respectively)

图9 不同压力条件下铁硫化物的矿物形态(黄色方框和黄色箭头指向)a.碳酸盐；b.菱铁矿；c.铁硫化物；分别放大3 000，1 800和1 400倍Fig.9 SEM images of iron sulfide minerals morphology under different pressures (minerals were surrounded by square or pointed out by arrow) (amplified 1 900, 1 800 and 1 400 times from left to right, respectively)

3.1.2 压力

在甲烷渗漏区中，压力会影响孔隙水中物质的运移、交换和甲烷的溶解度。碳酸盐形成的第一阶段(离子生成)，压力控制CH4溶解度。Zhangetal.[13]在研究压力对微生物代谢影响时发现，压力越大，甲烷厌氧氧化速率越大，生成的离子越多。实验结果与前人研究相似。第二阶段(矿物形成)，压力控制着CO2的溶解度。Morseetal.[12]认为环境压力可以改变孔隙水中的pCO2，压力越大时，其值越高，即压力的提高，可促进碳酸盐的形成。本文不同压力实验，2.5 MPa和5.0 MPa实验形成的碳酸钙、菱铁矿和含钙、镁的碳酸盐多于7.5 MPa。S2-浓度的升高会抑制自生碳酸盐形成[5]，可能是造成结果不同的原因。本次实验中，S2-浓度越高，碳酸盐形成越少。因此，碳酸盐形成的第二阶段，压力对其影响低于S2-浓度。

3.2 温度和压力对铁硫化物形成的影响

3.2.1 温度

Fe2++H2S→FeS+2H+

(6)

FeSaq+H2S→FeS2+H2

(8)

式(6)、(7)和(8)表明，铁硫化物的形成过程较为复杂。与自生碳酸盐类似，温度对铁硫化物形成的影响，首先体现在物源(硫源)上。研究和实验结果表明，温度的升高，可促进微生物代谢S2-[30,40]。但是，在本系统内S2-浓度并不是无限增大的。当它浓度达到1 599 μg/L时，由于微生物代谢受抑制，其值开始下降(图2B，10 ℃曲线)。这表明，当S2-浓度低于1 599 μg/L时，铁硫化物形成的第一个阶段才受到温度影响。因此，在三组不同温度实验中，10 ℃最有利于第一阶段的进行。

Milleroetal.[42]研究认为，铁硫化物形成的第二个阶段，温度通过影响pK值(反应常数的负对数值)而控制其形成。pK是与温度(开尔文温度)和盐度(S)相关的函数，关系式如下：

pK1=-98.080+5765.4/T+15.045 5 ln(T)

(10)

A=-0.149 8, B=0.011 9

在本文的实验温度下，由式(9)和(10)可知，当盐度(S)一定时，温度越高，pK值越小，即铁硫化物形成反应越快。同时，温度升高也可以增强离子活度，促进铁硫化物生成。

综上所述，温度升高促进铁硫化物生成，同时温度控制着铁硫化物的形成种类。

3.2.2 压力

4 结论

通过上述实验结果分析和讨论，可以清晰地发现温度和压力对自生矿物生成存在重要影响，结果对研究甲烷渗漏区微生物地球化学作用及相关自生矿物形成机理具有一定的参考价值，主要结论如下：

(1) 实验中形成碳酸钙、菱铁矿和铁硫化物。温度和压力影响自生碳酸盐和铁硫化物形成，主要体现在两个方面：1)物源的生成；2)离子结合形成矿物。不同温压条件下，微生物的代谢能力都较好，保证了物源的形成；但离子结合形成自生矿物时，受到温压、水化学组分等条件控制。

(4) ORP维持在-180.0 ～ -50.0 mV之间，pH保持在6.1～7.4之间，利于微生物的生长代谢。高的温度和压力，利于微生物的生长代谢，利于铁硫化物的形成。