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古气候环境,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SJJ-8-7的同类菌种。经菌种鉴定SJJ-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PDB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。
【作者】蒋建建；
【导师】刘子琦；贺秋芳；
【作者基本信息】西南大学，自然地理学，2014，硕士
【关键词】岩溶洞穴；微生物；沉积作用；碳酸钙；环境意义；

【参考文献】
[1]崔阳.新型城镇化背景下农民工保障房问题研究[D].山东财经大学,社会保障,2013,硕士.
[2]唐宏美.基于电子与光学传感器的目标关联技术研究[D].哈尔滨工业大学,信息与通信工程,2013,硕士.
[3]袁晨.土壤源热泵系统的双工况（火用）分析[D].西安建筑科技大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2013,硕士.
[4]郭欢.中日韩自由贸易区的经济效应及其对浙江省对外经贸的影响分析[D].浙江工商大学,国际商务,2013,硕士.
[5]唐黎明.考虑范德华力微悬臂梁动力系统的分析及其控制[D].西南交通大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[6]赵广森.鹤管用油位指示器的开发及应用[J].石油化工设备.1993(04)
[7]陈登科.国际贸易、FDI、城市化水平与中国城乡收入差距[D].浙江工业大学,2013.
[8]许汪洁.一个甘蓝型油菜胚珠败育突变体的形态鉴定及生理分析[D].西南大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[9]王宇宁.企业CIO甄选模拟系统研究[D].华中科技大学,2005.
[10]艾热提·如则.新疆跨越式发展中新农村建设村庄规划策略研究[D].新疆大学,建筑设计及其理论,2013,硕士.
[11]李楠.高考试卷中化学反应进程图浅析[D].西北大学,化学（专业学位）,2014,硕士.
[12]韩超.机制兰炭生产物流系统研究[D].长安大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[13]赵秀岐,周海民,张军勇.洪泽凹陷管镇次凹水下扇地震识别技术[J].石油地球物理勘探,2005,S1:86-90+107+138.
[14]杜彤华.FGFR3真核表达载体的构建及其在慢性粒细胞白血病细胞系K562中的作用研究[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[15]王玉凤.呼和浩特市新建民办幼儿园园本培训个案研究[D].内蒙古师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[16]沈超,裘正定.基于MatLab/Simulink的GPS系统仿真[J].系统仿真学报,2006,07:1857-1860+1889.
[17]武晓燕.我国建筑领域务工人员工伤保险若干问题研究[D].内蒙古大学,法律,2014,硕士.
[18]赵震.俯卧位脊柱后路手术患者头面部皮肤保护方法的研究[D].吉林大学,护理学,2014,硕士.
[19]刘孝斌.收入差距对财产性收入的影响研究[D].西南政法大学,国民经济学,2012,硕士.
[20]谢龙燕.董事会结构及能力对创业板企业并购决策的影响[D].重庆大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[21]汤元拯.宁波开发区招商引资战略研究[D].宁波大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[22]曲哲,林国庆,余奎.数据挖掘技术在医学影像中的应用[J].医疗设备信息,2004,06:33-34.
[23]王立虎.钢管混凝土双肢柱单腹板边柱肩梁受力性能研究[D].安徽建筑工业学院,结构工程,2012,硕士.
[24]于佳伟,郑松林,赵礼辉,赵子顺.整车室内道路模拟试验用载荷谱的编制方法研究[J].机械工程学报.
[25]贾路.我国外资并购监管制度及其完善研究[D].四川省社会科学院,民商法,2014,硕士.
[26]张文卓.基于三元相图法的酉阳县农业生态经济系统能值分析及可持续发展研究[D].西南大学,自然地理学,2014,硕士.
[27]方原柏.煤气高精度计量装置[J].冶金自动化,1998,04:44-46.
[28]张孝冲.一类捕食与被捕食模型的空间斑图动力学研究[D].中北大学,应用数学,2013,硕士.
[29]宋立伟.西北地区冻结岩石力学特性及爆破损伤评价模型试验研究[D].中国矿业大学（北京）,岩土工程,2014,博士.
[30]孔秋福.合成氨厂气化技术安全性分析及安全对策研究[D].郑州大学,化学工程,2013,硕士.
[31]赵镕.青藤碱对兔颈动脉粥样硬化炎症介质CRP、PGE2表达影响的实验研究[D].成都中医药大学,中西医结合基础,2012,硕士.
[32]郭小玉.“农家书屋”文化服务绩效评指标体系的构建和实证研究[D].华中科技大学,行政管理,2013,硕士.
[33]姜丽丽.1140V矿用隔爆智能四回路组合开关的研究与实现[D].辽宁工程技术大学,电力电子与电力传动,2012,硕士.
[34]季辰辰.MnO_2与石墨烯基气凝胶的制备，改性与电化学电容性能的研究[D].新疆大学,化学,2013,硕士.
[35]施颖,刘佳.基于PPP模式的城市基础设施特许经营期决策研究[J].当代经济管理,2015,06:18-23.
[36]高明.数据驱动优化软件的设计和开发[D].北京化工大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[37]刘博.山西省X县学校治理结构研究[D].山西师范大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[38]陈辉1,2,韩崇昭1.多距离假设纯方位伯努利滤波器的设计[J].控制与决策.
[39]唐文丹.几何的纯粹性与建筑的复杂性——以椭圆为例的研究[D].清华大学,建筑学,2003,硕士.
[40]L（？）TH（？）XU（？）NHI（？）U（黎氏春孝）.越南绢本绘画的艺术特征[D].吉林大学,美术学,2013,硕士.
[41]曲海娥.MiR-125b在细毛羊与绒山羊皮肤组织中差异表达及其靶基因的筛选与鉴定[D].吉林大学,基础兽医学,2014,硕士.
[42]高思宇.浅海声信道的信道响应估计研究[D].中国海洋大学,声学,2014,硕士.
[43]张浩.On the Power and Colonial Themes of the Tempest[D].安徽大学,英语语言文学,2004,硕士.
[44]吴亚娜.初中生主观幸福感现状及其与完美主义、父母教养方式的关系研究[D].湖南师范大学,基础心理学,2014,硕士.
[45]李广威.无线信道信息的快速压缩重构研究[D].北京邮电大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[46]罗森林,成华,顾毓清,张铁梅,曾平,陈峰.数据挖掘在2型糖尿病数据处理中的应用[J].计算机工程与设计,2004,11:1888-1892.
[47]吕殿君.微网的控制策略研究[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2013,硕士.
[48]杨静.网络流行语中模因的顺应性研究[D].河南科技大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[49]刘效姬.中国政府公共危机管理善后处理阶段问题研究[D].黑龙江大学,公共管理,2013,硕士.
[50]黄河.C轴取向晶化的二氧化钛纳米管阵列的制备及其性能研究[D].上海大学,2014.