南海冷泉区原白云石的形成及其与硫酸盐还原菌胞外聚合物的关系研究

冷泉碳酸盐岩是大陆边缘富甲烷流体渗漏和海底深部天然气水合物可能赋存的重要标志。微生物对甲烷的厌氧氧化作用是形成冷泉碳酸盐岩的关键步骤，是调控全球碳循环和气候变化的重要因子。.碳酸盐岩中原生白云石的成因一直是困扰沉积学界的难题，通过前期研究，我们发现冷泉碳酸盐岩中的原白云石和甚高镁方解石存在过渡现象，并与微生物菌丝体和生物膜具有密切关系。我们推测硫酸盐还原菌（SRB）产生的胞外聚合物（EPS）可能独立或与古菌耦联调控原白云石和甚高镁方解石的形成。本项目拟深入研究南海冷泉碳酸盐岩中原白云石和甚高镁方解石与微生物之间的关系，同时在低温厌氧条件下对冷泉区样品进行微生物富集培养并开展富镁碳酸盐矿物的沉淀实验，揭示SRB及其EPS对原白云石和甚高镁方解石的沉淀所起的作用。研究成果将有助于认识海底冷泉碳酸盐岩的形成机理和形成机制，促进对地球系统白云岩成因的全面理解，为解决著名的"白云岩问题"提供新启示。

海底冷泉系统由于与天然气水合物资源、极端环境生态系统、碳循环及全球气候变化等主题密切相关而成为海洋科学领域的研究热点。全球范围内的大陆边缘已有多处先后发现有冷泉活动并有冷泉碳酸盐岩赋存，其碳酸盐岩中的主要常见矿物相包括自生的高镁方解石、文石和白云石。与正常海水沉淀的碳酸盐岩明显不同，它们具有非常轻的碳同位素组成，一般在-20‰～-55‰之间变化。Boetius et al. (2000)研究发现冷泉活动区嗜甲烷古菌（Archea）和SRB的耦联体可能调控甲烷的厌氧氧化作用（AOM),但是由于冷泉活动区古菌和SRB迄今未分离成功，国际上对于AOM的具体机制仍不清楚,因此搞清楚古菌和SRB在冷泉碳酸盐矿物沉淀过程中所起的作用非常有意义。我们推测海底冷泉活动区微生物对甲烷的厌氧氧化作用过程中，SRB可能在与嗜甲烷菌耦联的情况下促进甚高镁方解石和白云石，也有可能具有独立促进甚高镁方解石和白云石沉淀的能力。我们还进一步推测SRB产生的EPS可能为甚高镁方解石和白云石的形成提供模板，这个模板能够在化学上和结构上选择性地从环境中捕获Mg2+和Ca2+并与之结合，然后，我们推测，为了使EPS基质里富集的Mg2+和Ca2+能够和环境CO32-结合形成白云石，EPS必须发生降解作用。最后，由于甚高镁方解石是不稳定矿物，随着时间会调整转化为原白云石。. 基于上述设想，本项目利用地质微生物学方法和技术，深入研究南海冷泉碳酸盐岩的岩石学、矿物学和同位素地球化学特征，开展缺氧条件下硫酸盐还原菌（SRB）及其胞外聚合物(EPS)参与下的碳酸盐矿物的沉淀实验，以揭示SRB及其EPS对原白云石和甚高镁方解石的沉淀所起的作用。通过3年的研究，课题组在以下几个方面取得了重要成果：（1）南海东沙东北冷泉流体的来源和性质及其与下伏水合物藏之间的关系；（2）烟囱状冷泉碳酸盐岩的形成机理与生长模式；（3）SRB在冷泉碳酸盐矿物形成中的作用；（4）EPS是高镁方解石乃至白云石富镁的主要机制;（5）南海东北陆坡在低海面时期曾经发生大面积水合物分解现象。研究成果有助于深入认识海底冷泉碳酸盐岩的形成机理和机制，并为解决著名的“白云岩问题”提供启示。