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球状碳酸盐矿物广泛地存在于土壤和沉积环境中,与微生物活动有着密切的关系。甚至在火星陨石上,也存在着微生物参与球状碳酸盐矿物形成的线索。因此,对微生物作用下球状碳酸盐矿物形成过程的动态研究以及对各种过渡形态的总结是了解球状碳酸盐矿物形成机理的关键,并可为判断微生物活动遗留的地质痕迹提供依据。
以往研究证明不少微生物类群具有形成球状碳酸盐矿物的能力。然而,大多数研究只对球形、哑铃形以及其他一些过渡形态进行了静态描述。而在其形成过程的研究方面,目前还仅限于少数几种微生物。
针对前人研究中的不足,本文利用光学显微镜和电子显微镜分别对混合菌以及两株纯菌(Citrobacter freundii和Clostridium sp.)作用下球状碳酸盐矿物的形成过程进行了跟踪观察。本文通过对矿物从纳米发展到几十微米过程的观察,比较全面地对矿物的中间和最终形态进行了总结,建立起了前后发展的关系,并对形成过程及过渡形态的转变进行了解释。主要研究结果如下:
(1)本文首次证实Citrobacter freundii和Clostridium sp.能够诱导形成碳酸盐矿物。
(2)纯菌成矿实验不但证实了矿物的“哑铃-花菜-球状”以及“花形闭合-球状”这些经典发展过程,而且观察到了其它比较少见的过渡形态:纺锤形、十字形和柠檬形。
(3)纯菌成矿跟踪实验证明,本文中球状碳酸盐矿物的形成遵循“白组装”模式:纳米晶体在有机物质的包裹下逐渐聚集,经历一些过渡形态后,最终生长成为具有菱形表面纹理和辐射状内部结构的球状矿物集合体(5μm~330μm)。
(4)纯菌成矿跟踪实验还证明:本文中那些微小的粒状晶体构造(50 nm~300nm、300nm~2μm)并不是矿化的菌体,而是由更小的纳米晶体聚集而成的。
(5)5~65 d混合菌成矿实验的矿物成分中只有单水碳钙石;35 d纯菌(Citrobacterfreundii和Clostridium sp.)成矿实验生成的矿物主要是高镁方解石和少量单水碳钙石。单水碳钙石在混合菌实验体系中大量、长期和稳定的存在很可能与球状碳酸盐矿物形成过程中有机物的大量整合进入晶体间隙有关。
(6)影响球状碳酸盐矿物形成的因素包括:pH、碱度、微生物种类、菌浓度、菌活性、成矿速度、有机物(胞外分泌物)含量及种类等。