对比研究嗜盐硫酸盐还原菌与嗜盐非硫酸盐还原菌促进白云石沉淀的分子机理

Dolomite is a widespread carbonate mineral in sedimentary rock, yet both its formation mechanism and deposition-controlling factors are unclear. Recently, several microbial pure strains were reported able to precipitate dolomite, thus establishing the “microbial model” for dolomite formation. Among these strains, halophile without sulfate reduction pathway successfully precipitated dolomite in settings with high sulfate concentration, which overturned the inherent view that sulfate with high concentration inhibited the formation of dolomite. The carboxyl-rich organisms synthesized by halophile for adapting salty environment may own potential to reconcile this contradiction. In this work, pure strains from slight/moderate halophile with sulfate reduction pathway, moderate/extreme halophile without sulfate reduction pathway, are planned to be cultured in mediums with various salinities, then kinds of microbial organism will be collected and analyzed for their composition and functional groups, with the purpose to know the effect of salinity on the yield of carboxyl-rich organism of halophile. After that, kinds of microbial organisms will be added to dolomite-precipitating system containing different sulfate concentrations respectively, through which to know the function of carboxyl-rich organism on dolomite precipitation, and quantitatively evaluate the inhibition of sulfate on this process. This work is significant to the understanding of both dolomite precipitation mechanism and deposition-controlling factors.

白云石是沉积岩中广泛存在的碳酸盐矿物，但其成因机理以及沉积量受控因素一直不明确。近年来，多种微生物被报道具备沉淀白云石的能力，形成白云石沉积的“微生物模式”。其中，嗜盐非硫酸盐还原菌能在高硫酸根浓度条件下沉淀白云石，颠覆了高硫酸根浓度抑制其沉淀的固有认识。嗜盐微生物为适应高盐环境合成的富羧基有机质可能是上述矛盾的“调和剂”。本研究拟选取具备沉淀白云石能力的轻度嗜盐硫酸盐还原菌、中度嗜盐硫酸盐还原菌、中度嗜盐非硫酸盐还原菌和极端嗜盐非硫酸盐还原菌各1株，分别在不同盐度条件下培养，提取微生物有机质，并分析其成分和官能团分布，以期明确盐度波动对嗜盐微生物富羧基有机质产量的影响；将各类有机质置于硫酸根浓度各异的沉淀体系中沉淀白云石，以此认识富羧基有机质对白云石沉积的作用，同时定量评估硫酸根浓度对该过程的抑制作用。本研究对认识白云石成因机理和沉积量控制因素均具有重要的理论意义。

白云石成因问题是困扰地质学家长达200年之久的科学难题。近几十年来的研究表明，微生物可能在白云石低温沉淀过程中起到积极作用，然而，其中的详细机理还不明确。本项目结合现生白云石主要出现于高盐或咸水环境的事实，提出盐度可能是控制微生物白云石沉淀的主要因素。本研究以两株嗜盐古菌（Haloferax volcanii DS52和Natrinemas sp.)作为典型菌株，开展了包括最适盐度测定、生长曲线测定、S-layer提取与氨基酸定量分析、微生物介导白云石沉淀模拟实验、硫酸根和盐度对微生物白云石成矿影响探讨。通过本研究发现1）嗜盐古菌(H. volcanii DS52和N. sp.)能够在45°C条件下形成原白云石；2）较高的细胞浓度（OD600较高）、较高的沉淀溶液Mg/Ca比值，较高的细胞生长环境盐度能够促进微生物原白云石的沉淀，而环境溶液中的硫酸根浓度对该成矿过程无明显影响；3）对比戊二醛变性处理的嗜盐古菌细胞以及正常细胞，发现变性处理后细胞表面羧基官能团含量减少，不能介导形成原白云石，表明细胞表面羧基官能团对白云石沉淀有重要作用；4）定量分析不同盐度条件下生长得到的嗜盐古菌S-layer中的氨基酸成分，发现随着盐度升高，其酸性氨基酸浓度大幅升高。本项目的研究结果表明盐度是影响微生物白云石沉淀的一个主要环境因素，而硫酸盐浓度对微生物白云石沉淀没有明显的抑制作用。微生物在高盐环境中，趋于合成更多的富含羧基的分子以适应高离子强度，同时也赋予其促进白云石沉淀的能力。