细菌作用下碳酸盐矿物形成机理的实验研究

微生物作用下碳酸盐矿物的形成机理对于理解土壤形成过程、解决白云石成因之谜等科学问题具有十分重要的意义。微生物诱导碳酸盐矿物形成的功能在矿物捕获大气CO2、石质文物表面修复等方面已显现出广阔的应用前景。基于目前对微生物促进碳酸盐矿物形成机理认识不清的现状，本项目以所用细菌形态多样、对照实验系统为特色，以研究矿物种类和形态的动态变化为创新点，拟在LV培养基中对柠檬酸杆菌、梭菌、脱硫球菌和脱硫弧菌分别进行系统的培养实验，利用XRD、SEM/EDS、HRTEM/SAED、FT-IR等技术重点研究矿物的成核机制以及矿物种类和形态随时间的演化规律，并利用HPLC、ICP-AES等技术研究液相产物性质的动态变化规律。在与对照实验结果进行综合分析的基础上，阐明在细菌作用下碳酸盐矿物成核、生长和聚集以及相变的过程和机理。研究结果有可能为丰富土壤的形成理论和微生物矿化理论及其在环境保护方面的应用提供科学依据。

微生物作用下碳酸盐矿物的形成过程和机理对于理解土壤演化、“白云石问题”以及CO2的矿物封存等科学问题都具有十分重要的意义。为了深化研究微生物作用下碳酸盐矿物的形成机理，本项目主要利用分属于7个属（梭菌、柠檬酸杆菌、节杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、微杆菌和丛毛单胞菌等）的7株细菌进行了大量的室内模拟实验和系统的分析测试。结果表明，许多种属的细菌具有促进碳酸盐矿物沉淀的能力。镁对碳酸盐矿物种类和形态均具有一定的影响。细菌主要利用有机质降解释放的氨气水解而使溶液pH值升高，这为碳酸盐沉淀创造了必要的物理化学环境。细菌主要依靠分泌的碳酸酐酶催化CO2的水化反应形成碳酸根离子，为碳酸盐沉淀创造过饱和条件。细菌细胞自身及其分泌的胞外多糖以成核模板的方式影响碳酸盐矿物的成核和生长。在细菌细胞表面成核时，形成的矿物以哑铃形、花椰菜状、球状等形态为特征。在胞外多糖表面成核时，则形成不规则状矿物。在细菌细胞影响不到的微域中，存在着发生均相成核的可能，因而可以形成典型的菱面体形方解石。上述研究结果将有助于深刻认识微生物参与下碳酸盐矿物成核和生长的机制，也有助于研究利用某些微生物固定大气二氧化碳的机理及其应用潜力。