Mg2+、Sr2+和Ba2+对细菌成因碳酸盐矿物种类和形态的影响

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碳酸盐的微生物矿化是自然界普遍发生的一种生物地球化学现象。对碳酸盐的微生物矿化机理进行研究具有多方面的意义,例如,有助于丰富和完善土壤形成理论,固定大气CO2,修复和加固石质文物、混凝土材料的坝库等。近些年来,科研工作者针对微生物矿化过程和机理开展了大量卓有成效的工作,但目前对机理的认识还很肤浅。研究者对Mg2+在碳酸钙形成过程中的作用给予了一定程度的关注,而对与Mg2+同一主族的Sr2+和Ba2+研究较少。事实上碱土金属化学性质相似,都可以通过类质同象的方式进入碳酸盐矿物晶格。为探究Mg2+、Sr2+和Ba2+在碳酸钙形成中的作用,本文利用Arthrobactersp.MF-2菌株分别在含Ca+Mg、Ca+Sr、Ca+Ba的培养基中进行矿化实验,并利用气体扩散法进行相同离子浓度下的化学实验。通过跟踪观察微生物及无机化学条件下固相和液相产物的动态变化,探讨了微生物和碱土金属离子(Mg2+、Sr2+和Ba2+)在矿物形成中的作用。主要研究结果如下:
  (1)Arthrobactersp.MF-2菌株能够诱导碳酸钙沉淀。在仅有Ca2+而无其它碱土金属离子参与下,诱导形成的碳酸钙种类为方解石,形态以菱面体、球状及不规则状为主。
  (2)Mg2+、Sr2+和Ba2+的加入对微生物成因碳酸盐矿物种类和形态影响较大。在Ca+Mg培养基中形成的矿物种类有非晶态碳酸钙(ACC)、高镁方解石和文石,矿物形态有球状、半球状、不规则状和三角板状等,且矿物体积较小。在Ca+Sr培养基中形成的矿物种类为方解石和文石,在实验前期和中期,矿物多表现为球状,在后期,形态逐渐复杂化。在Ca+Ba培养基中形成的主要是菱面体形方解石。
  (3)无机化学体系中,在Mg2+参与下,形成的碳酸盐矿物种类为高镁方解石和文石,形态有杆状、哑铃形、球状等,且矿物形态演变趋势为:杆状→哑铃形→花菜状→球状;在Sr2+和Ba2+参与下,矿物种类为方解石,形态以菱面体和刺球状为主。EDS能谱显示,Mg2+和Sr2+进入矿物晶格,Ba2+没有进入矿物晶格。
  (4)微生物矿化体系中,MF-2菌株分泌的胞外有机物质有利于Mg2+进入碳酸盐矿物晶格,在与Mg2+的共同作用下促进ACC的稳定。Sr2+进入碳酸盐矿物晶格,使方解石(104)晶面间距变大(由3.0355nm增加到3.0374nm~3.0850nm之间)。Ba2+可能会促进MF-2菌株分泌某种具有特殊组分及官能团的有机物质,该有机物质与金属离子的结合最终致使方解石形态发生转变。
  (6)在矿化过程中,与Ca2+半径相差不悬殊的碱土金属离子(Mg2+、Sr2+),一般通过类质同象替换的方式改变矿化产物种类与形态;半径比Ca+大很多的碱土金属离子(Ba2+)则可能会通过改变矿化体系环境而影响矿物的形成。
  (7)pH值、微生物和碱土金属离子(Mg2+、Sr2+和Ba2+)在一定程度上均可影响碳酸盐矿物的形成过程。
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