有机成因碳酸盐矿物沉积机制的实验研究

Scholars at home and abroad have expanded the origin of organic carbonates in recent years, in addition to the microorganisms can help the precipitation of carbonate minerals, some organic macromolecules can also be involved in the formation of the carbonate minerals, but the initial phase of the carbonate nucleation and the micro mechanism of nucleation still need further study. This study has found sulfate reducing bacteria can induce magnesium ion mineralization and cyanobacteria Synechocystis sp. PCC6803 cannot, which is related to the different composition of nucleation site EPS of magnesium ions. So using EPS’s different components to induce magnesium carbonate minerals is beneficial to exploring the microcosmic nucleation mechanism of magnesium ions. HPLC, H-NMR, FTIR and fluorescence microscope methods are used to analyze the different components of EPS between sulfate reducing bacteria and cyanobacteria, a single or combined different EPS organic macromolecular substances are used to induce magnesium ions mineralization under different magnesium calcium molar ratios, XRD, FTIR, FESEM, EDX, Zeta potential, HRTEM, SAED, LSCM, AFM, TG, DTG, and DSC are used to analyze mineral species, morphology, surface groups, electric property, crystal nucleus growth process, the interaction between organic matter and minerals, the thermodynamic stability, etc. Through the above research, the molecular mechanism of magnesium ions mineralization can be explored, organic macromolecules or functional groups to break down kinetics barriers of magnesium ions nucleation might be found, which not only is of great significance to understand the dolomite genesis, also promote the development of mineralogy.

对碳酸盐有机成因的研究已从微生物扩大到有机大分子，但矿物成核微观机制还未搞清楚仍需进一步研究。本课题所用硫酸盐还原菌可诱导出菱镁矿、白云石等含镁碳酸盐矿物，而蓝绿菌集胞藻PCC6803只能诱导出方解石和文石，这与微生物代谢活动及其EPS成分有关，因此利用微生物、EPS及EPS中差异有机分子诱导碳酸盐矿物有利于探索镁离子成核微观机制。HPLC、H-NMR、FTIR、荧光显微镜等分析硫酸盐还原菌和蓝绿菌EPS成分，用单一或组合差异有机组分在不同镁钙比下诱导碳酸盐矿物，并与微生物和EPS诱导矿物进行比较，XRD、FTIR、FESEM-EDX、Zeta电位、HRTEM、SAED、LSCM、AFM、TG、DTG和DSC等分析矿物种类、形貌、表面基团和电性、晶核成长、矿物热力学稳定性等。通过寻找打破镁离子动力学障碍促进成核的有机大分子进一步探讨镁离子成矿的分子机制。

微生物矿化为研究地质学领域微生物岩的成因机制提供了便利。但是发现微生物诱导碳酸盐矿物机制、EPS碳酸盐矿物成核机制、胞内矿化、EPS不同组分对镁离子掺杂碳酸盐矿物的作用、如何区分自然界中的微生物灰岩和非微生物灰岩等问题仍不十分明了，亟需深入探讨。本课题针对上述问题，利用不同微生物诱导碳酸盐矿物探究生物矿化机制，对矿物进行XRD、SEM-EDS、 FTIR、 XPS、 Zeta电势、TG-DTG-DSC、稳定碳同位素等分析，分析微生物EPS组分并用其进行仿生矿化，分析EPS上矿物及胞内矿化产物，并对自然界中微生物灰岩和非生物灰岩进行热力学方面研究。结果证实微生物释放氨气和碳酸酐酶，提高pH值和饱和度，促进了碳酸盐矿物的沉降。生物碳酸盐矿物具有丰富的形貌、有机元素磷硫氮、具有丰富的蛋白质二级结构、标志着来源于蛋白质、糖、脂质等生物分子的有机官能团和化学键，Zeta电势呈负电性，活化能明显高于非生物成因矿物，具有较高热稳定性，且具有偏负性较强的稳定碳同位素值。EPS含有多种氨基酸、羧酸类等，吸附钙镁离子促进其在EPS成核。钙镁离子通过离子通道进入细胞内部参与胞内的生物矿化，在细胞内部不仅发现了无定形碳酸钙，还发现了具有晶体结构的方解石、文石、单水方解石等，进一步揭示了胞内矿化的普遍性。对于胞内矿化，由于技术限制，很少有研究者进行详细研究。本研究中所利用的几种氨基酸并不利于镁离子掺杂进入碳酸钙矿物，而十六烷酸的存在却极有利于镁离子的掺杂，可能与氨基酸的量有关。生物成因矿物具有较高活化能和热稳定性，对临沂张夏组泥晶灰岩和凝块石进行热力学分析后发现结论是一致的，为判断自然界中的微生物灰岩一种参考。本课题为深入探讨生物矿化机制、EPS成核机制、EPS有机分子对镁离子掺杂碳酸钙矿物的作用提供一定理论依据，为胞内矿化研究奠定了坚实基础，为区别自然界中微生物灰岩和非生物成因灰岩提供一定参考。