蓝绿菌诱导碳酸盐矿物形成机制研究

Researches on microbialite mainly focused on the biological compositions and structure types at home and abroad until now, and the carbonate mineral formation mechanism and sedimentary process induced by microorganisms need to be further studied. In this program, cyanobacteria Synechocystis sp. PCC6803 cells are studied as the experimental materials to study the calcium carbonate sedimentation mechanism. Extracellular Ca2+ concentrations will be measured by AAS method. SEM, LCSM will be used to analyze Ca2+ distributions within cell walls. HRTEM, HAADF and EDS will be used to analyze structure differences of mineral particles formed in cells cultured with different pH values and Ca2+ concentrations. Growth mechanism of mineral crystals will be studied at the microscopic level by AFM. SEM will be used to morphological analysis of mineral surfaces, meanwhile FTIR, EPMA and XRD will be used to analyze elements and structures of crystals. The mineral will be investigated by TGA and DSC methods to analyze the impact rules of Synechocystis biological factors on calcium carbonate sediments. Based on the above researches,the sedimentation mechanism of microbial carbonate induced by cyanobacteria is expected to be further elucidated.

目前国内外微生物岩研究主要集中在微生物组成及其构造类型上，对微生物诱导的碳酸盐矿物形成机制和沉积过程有待深入分析。本项目以蓝绿菌集胞藻Synechocystis sp. PCC6803细胞为实验材料研究其诱导碳酸钙沉积机制。LCSM观察不同Ca2+浓度培养的集胞藻细胞壁Ca2+浓度变化情况，分析外界钙离子对集胞藻钙化的影响；HRTEM、HAADF及EDS观察不同Ca2+浓度不同pH下活体和死体细胞钙化的发生部位及胞内纳米晶体的存在情况，分析胞内胞外碳酸钙的颗粒大小和晶态的不同；AFM观察集胞藻环境中碳酸钙的生长过程，分析集胞藻生物因素对碳酸钙沉积物的影响；SEM观察碳酸钙表面形貌，FTIR、EPMA、XRD、TGA和DSC确定矿物元素组成和晶态特征，分析集胞藻诱导的碳酸钙与对照（未接种集胞藻）碳酸钙的差异及其成因。通过以上研究以期探讨微生物诱导碳酸钙沉积的机制。

微生物碳酸盐岩的特征及形成机制是当今国际上地质学研究的热点之一，许多地质学家对微生物碳酸盐岩的沉积机制进行了大量研究。国内外对微生物岩形成机制的研究中可以确定需氧性生物蓝绿菌具有重要的研究意义，因此本项目以蓝绿菌集胞藻Synechocystis sp. PCC6803细胞为实验材料在实验室内研究其诱导碳酸钙的沉积机制。.采用LCSM分析集胞藻表面钙离子的分布情况与TEM分析不同Mg/Ca比下集胞藻细胞内部和外部变化及生成矿物情况；通过SEM及EDS、FTIR和XRD来分析蓝绿菌集胞藻对方解石表面形貌及结构组分的影响；通过方解石矿物颗粒的TG-DTG和DSC分析以及不同钙离子浓度下集胞藻细胞的热解实验来探讨蓝绿菌集胞藻对方解石热稳定性的影响及蓝绿菌自身热失重规律；拟合碳酸钙沉积的数学模型，探讨有利于生物矿化的最佳条件；采用FTIR、NMR、TEM、TG、荧光显微镜及紫外-可见分光光度计对蓝绿菌集胞藻的胞外聚合物进行分析。.结果证实在钙离子溶液中，生成产物为具有择优取向的六棱柱状的方解石，而且随着钙离子浓度的增大，方解石的热稳定性增加，并建立了钙离子沉积动力学模型；在低Mg/Ca比下，Mg的存在使方解石形成了粗糙的表面和更多夹角尖锐的阶梯状的纹理，随着Mg2+含量的升高，方解石主要衍射峰的强度都明显减小了，生成矿物的结晶度降低，不同晶面发生择优取向，矿物的晶轴参数a不断减小，晶胞体积也在不断缩小，随着Mg/Ca比的提高，细胞内部趋向于产生更多黑色的不具有晶体结构的矿物颗粒，而且矿物数量增多，说明这种细胞内生物矿化作用越来越强烈；在高Mg/Ca比下，150小时后由于Mg离子的存在，集胞藻的生长受到抑制作用，随镁离子浓度的增大，晶簇数量增加，而且每个晶簇中含有的晶体数量更多，矿物形态更加丰富，Mg/Ca比为0的梯度相较于其他梯度矿物形态少一些，以球形为主。集胞藻具有明显的碳酸酐酶活性，而且胞外聚合物成分主要为糖类、蛋白质和核酸等成分，这些都为胞外成核提供了条件。.研究结果对于探索地质历史时期碳酸盐矿物的形成机理具有一定的意义。