微生物诱导碳酸盐矿物形成及其对矿化过程响应机制的实验研究

Microbially-induced carbonate mineralization is widespread in marine and terrestrial sedimentary environments, and has always been a focus of microbial mineralization. In this proposal, the representative heterotrophic bacteria will be chosen as model microbes and effects of their different metabolic components, which are obtained by a series of metabolite separation methods, on CaCO3 composition and structure will be systematically investigated by a combination of bacterial in situ mineralization and biomimetic mineralization. Special attention will be paid on the roles of extracellular polymeric substances (EPS) present in different physicochemical states, the EPS components and specific functional groups. The target is to unveil the microscopic mechanism of microbially-induced CaCO3 polymorphism. Meanwhile, the nucleation kinetics of calcium carbonate on the surface of cell wall or different EPS will be studied to understand the bacterial protection mechanism avoiding cell entombment by EPS secretion and preferential nucleation on EPS. The role of EPS in the regulation of cell surface charge, another bacterial protection mechanism avoiding encrustation, will also be investigated to explore the possible link between the two bacterial protection mechanisms. Furthermore, the effect of EPS present in different physicochemical states and EPS components on the mineralization of Mg/Ca carbonate will be investigated under different Mg/Ca ratios to evaluate EPS dehydration to Mg2+ in solution and thus unveil the biogenetic mechanisms of high magnesian calcite and dolomite.

微生物诱导的碳酸盐矿化广泛分布于陆地和海洋沉积环境中，并且一直是微生物矿化研究的热点。本项目拟选择典型异养细菌作为模式微生物，借助一系列完善的细菌代谢产物分离手段，采用细菌原位矿化和仿生矿化相结合的实验方法，系统研究细菌不同代谢组分对碳酸钙矿物组成和结构的影响，特别关注不同物理化学态的胞外聚合物(EPS)、EPS各组分以及特定官能团的矿化作用，揭示微生物诱导碳酸钙同质多像变体形成的微观机制；同时研究碳酸钙在细胞壁和不同物理化学态EPS上的成核动力学，揭示细菌通过分泌EPS和实现EPS优先成核而避免细胞被包埋的保护机制，进一步研究EPS在细胞电势调控中的作用，探究EPS优先成核和细胞电势调节这两种细菌自我保护机制的内在联系；在此基础上，研究不同镁钙比下，不同物理化学态EPS对镁钙碳酸盐形成的影响，了解EPS对镁离子去水合作用，探讨生物高镁方解石和白云石的成因机制。

微生物诱导的碳酸盐矿化广泛存在于陆地和海洋沉积环境中，并且在碳元素生物地球化学循环过程中扮演了重要角色。然而其精确的矿化机制仍然没有完全被阐明，因此一直是微生物矿化研究的热点。本项目通过构建细菌原位矿化和仿生矿化体系，系统研究了海洋中度嗜盐菌希瓦氏(Shewanella piezotolerans) WP3及其代谢产物对Ca/Mg碳酸盐矿化的影响，揭示了不同细菌组元，包括细菌细胞、裸细胞、结合态胞外聚合物(EPS)、溶解态EPS以及小分子量有机物对Ca/Mg碳酸盐矿化的调控作用。对于碳酸钙体系，细菌原位矿化实验结果显示，希瓦氏菌WP3不仅能够诱导碳酸钙的矿化，而且能够调控碳酸钙亚稳变体球霰石的形成；仿生矿化实验结果揭示，不同细菌组元对碳酸钙变体矿化有着不同的影响。细菌分泌的低分子量氨基酸在球霰石的形成过程中起主导作用；可溶性EPS能够诱导文石的矿化，而细菌表面紧密结合态EPS能够促进方解石表面的溶蚀。在此基础上，通过一系列分离技术从希瓦氏菌WP3细菌培养液中分离出不同细菌组元，再利用仿生矿化的实验方法，系统研究了这些细菌组元对Ca-Mg碳酸盐矿化的影响。实验结果显示，裸菌或紧密结合态EPS均能诱导无序白云石的沉淀。进一步分子官能团水平的分析显示，裸菌和紧密结合态EPS上的高密度和高浓度的羧基和磷酰基不仅可能充当了Ca2+和Mg2+优先吸附的位点，而且为无序白云石的沉淀提供成核或结构模板，促进无序白云石的形成。这就指示没有活性的细菌生物质也可能在无序白云石乃至白云石的形成过程中发挥了重要作用。一系列实验结果不仅揭示了生物Ca/Mg碳酸盐的成因，而且系统阐明了不同细菌组元在这些碳酸盐形成过程中的作用，加深了对细菌矿化碳酸盐的理解，丰富和发展了生物矿化理论。同时也为阐明现代环境和地质记录中无序白云石/白云石沉淀提供实验室依据。