硫酸盐型盐湖中好氧微生物介导的白云石沉淀过程及其机理

Much attention has been attracted to solve the “dolomite problem” in the field of sedimentary geology. It has been recently proposed that microorganisms could be the natural catalyst to facilitate low-temperature dolomite formation. Due to the inhibitory effect of sulfate ions on dolomite precipitation, it is still unclear whether authigenic dolomite can be formed in oxic, sulfate-rich environments and whether sulfate ions can inhibit aerobic microbe-mediated dolomite formation. The objective of this project is therefore to expand the microbial dolomite precipitation model by investigating the origin of dolomite in the surface sediments of Jibuhulangtu Nuur Lake, a sulfate-type saline lake in Inner Mongolia, China. By using multiple approaches (bacterial cultivation, geochemistry and mineral analysis), systematical researches will be conducted to address the role of typical aerobic microorganisms on dolomite formation founded in the sulfate-rich environments, and the effect of sulfate ions on aerophile-induced crystallization of dolomite, aiming at the establishment of biosignatures of dolomite. This project would be of great significance for providing the basic date for the interaction between sulfate ions and dolomite formation, optimizing the microbial dolomite model, and improving our understanding of “dolomite problem”.

“白云石问题”是地质学领域备受关注的研究热点之一，近年来提出的微生物作用模式为解答现代高盐环境中白云石的成因开拓了新途径。由于硫酸根被认为是制约低温白云石形成的关键因子，因此目前对富硫酸盐的有氧环境中是否存在原生白云石以及该条件下好氧微生物如何催化白云石结晶过程仍缺乏认识。本项目以我国硫酸盐型盐湖吉布胡郎图诺尔有氧带中白云石的发现为研究切入点，通过微生物学、地球化学及矿物学等多学科交叉手段阐明好氧微生物在硫酸盐型盐湖湖底白云石形成过程中的贡献及机制，剖析硫酸根对好氧微生物介导的白云石沉淀动力学的影响，进而尝试建立生物成因白云石的矿物学标记。这一研究对于我们正确认识硫酸根在白云石形成过程中的作用、完善微生物成因白云石模型、促进“白云石问题”的深入研究具有重要理论意义。

白云石的成因机制一直是沉积学领域争论时间持久、最难解决的问题之一，常被称为“白云石问题”。前人研究工作表明白云石的沉淀反应是一个动力学问题，它之所以在常温常压下难以合成是因为化学动力学屏障的存在。目前，较为认可抑制白云石的沉淀因子包括镁离子水合作用、溶液碳酸根浓度以及硫酸根浓度等。对于诸如现代海水等白云石过饱和的水溶液而言，硫酸根离子被认为是限制白云石形成的关键因子。尽管现代地表发生白云石沉积的环境非常有限，但厘清这些局限环境中原生白云石的形成机理无疑是解决“白云石问题”的一把有效钥匙。综合已有报道，现生白云石沉积主要发现于泻湖及萨勃哈为代表的受海洋影响的高盐环境以及内陆干旱区的一些盐（咸）湖湖区。项目负责人与合作者在前期针对我国内蒙海拉尔盆地盐湖群地质微生物的调查过程中，发现以吉布胡郎图诺尔为代表的硫酸盐型盐湖沉积物中含有白云石。室内水化学分析显示该盐湖湖水化学呈硫酸盐型状态。吉布胡郎图诺尔水体处于高硫酸盐浓度（约为当今海水的4.2倍）却依然存在白云石沉积现象，从而对硫酸根作为白云石成因的限制因子这一假说提出挑战，可谓是探讨硫酸盐与白云石成因关系的独特材料。在项目的资助下，项目组成员采用野外勘察和室内模拟研究相结合的手段，取得如下基本认识：1）吉布胡郎图诺尔表层沉积物中白云石呈亚微米尺寸，以聚集体形式覆盖于钠长石等碎屑矿物表面；2）富集培养的好氧和厌氧微生物菌群和单菌株均具备沉淀白云石的能力，表明多种类型的微生物功能群参与着白云石沉淀过程；3）硫酸盐浓度对微生物沉淀白云石无明显抑制作用。以上研究对正确认识硫酸根在白云石形成过程中的作用和促进“白云石问题”的深入研究具有重要理论意义。