王 偉，趙 敏，劉 妍

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

微生物沉積作用在前寒武紀(jì)地層中普遍發(fā)育，在顯生宙的一些地層中也較為發(fā)育。微生物巖是由底棲微生物群落捕獲和粘結(jié)碎屑沉積物或以它們?yōu)榈V物沉淀中心而形成的生物沉積巖[2]。微生物碳酸鹽沉積是由底棲的原核或真核微生物群落通過(guò)捕獲和粘結(jié)碎屑顆粒，或者由微生物引發(fā)的碳酸鹽沉淀加積而成的碳酸鹽沉積物[3]。微生物碳酸鹽不但可以構(gòu)成生物礁的主要框架，還可形成純微生物碳酸鹽構(gòu)造。自前寒武紀(jì)以來(lái)，大量微生物碳酸鹽巖發(fā)育于中新元古代和早古生代，包括疊層石、凝塊石、樹形石和均一石等[4]。微生物群落和微生物碳酸鹽沉積與古氣候、古環(huán)境和重大生物事件的關(guān)系十分密切。迄今為止的研究普遍認(rèn)為微生物碳酸鹽的沉積作用在大多數(shù)古生代碳酸鹽建造中都很普遍，并認(rèn)為微生物群落和微生物碳酸鹽沉積的繁盛一般與地球重大變化時(shí)期的環(huán)境和氣候變化有關(guān)[5]。

自然界中某些微生物可以通過(guò)其自身的生命活動(dòng)，與周圍環(huán)境介質(zhì)之間不斷發(fā)生各種作用，逐漸礦化形成膠結(jié)物質(zhì)方解石。再經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)時(shí)期的積累，最終可以將自然界中沉積的疏松碎屑物質(zhì)膠結(jié)形成堅(jiān)硬的巖石[6]。現(xiàn)代生物碳酸鈣化實(shí)驗(yàn)為碳酸鈣質(zhì)化石鑒定、碳酸鹽地層的成因的探討提供了有益的參考。碳酸鈣化實(shí)驗(yàn)雖然不能完全模擬地質(zhì)歷史上碳酸鹽巖形成的實(shí)際復(fù)雜過(guò)程，但實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果可能有助于對(duì)這一復(fù)雜過(guò)程的初步認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 菌種的獲取

自然條件下有機(jī)成分降解主要由微生物參與，球狀細(xì)菌是其中的常見微生物類型，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于識(shí)別，因此是微生物碳酸鹽化實(shí)驗(yàn)的良好材料。實(shí)驗(yàn)采用水淹致死的新鮮馬陸作為微生物培養(yǎng)材料，以馬陸自然腐敗過(guò)程中存在的球狀細(xì)菌群落作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

取西安興慶公園湖水，經(jīng)濾網(wǎng)濾除大顆粒雜質(zhì)，作為實(shí)驗(yàn)用天然水。稱取適量CaCO3充分溶于實(shí)驗(yàn)用湖泊水，用鹽酸調(diào)溶液pH值為8(pH誤差范圍7.5～8.5)，配制CaCO3濃度為1 000 ppm的碳酸鈣溶液。取兩組250 ml廣口瓶，每組廣口瓶?jī)?nèi)均置入馬陸二至三條。其中一組燒瓶加入250 ml實(shí)驗(yàn)配置1 000 ppm碳酸鈣溶液并浸沒馬陸樣品，進(jìn)行人工碳酸鈣化環(huán)境實(shí)驗(yàn);另一組廣口瓶加入250 ml實(shí)驗(yàn)用湖泊水并浸沒馬陸樣品，進(jìn)行非碳酸鈣化環(huán)境對(duì)照實(shí)驗(yàn)。模擬常溫(5℃ ～35℃)常壓(1×105Pa)下。所有樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜置保存，分別處理五至七個(gè)月后取樣觀察。

1.3 電鏡制樣

分別對(duì)在碳酸鈣化環(huán)境處理七個(gè)月以及非碳酸鈣化環(huán)境處理五個(gè)月的球狀細(xì)菌進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察及元素能譜(EDS)分析。由于長(zhǎng)時(shí)間的腐解，馬陸已形成中空結(jié)構(gòu)，中間的軟組織已經(jīng)完全降解，外骨骼環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。因此，選取兩組實(shí)驗(yàn)馬陸的脫落體節(jié)作為電鏡樣品。所有樣品經(jīng)蒸餾水多次清洗后進(jìn)行酒精梯度脫水(30%，50%，75% ，85% ，95% ，9，5%)，自然干燥后制樣。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 人工碳酸鈣化環(huán)境實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境腐解七個(gè)月的馬陸樣品掃描電鏡圖像，圖像(如圖1，2、表1)顯示馬陸表皮組織外表面有大量碳酸鈣化狀態(tài)的球狀細(xì)菌存在。碳酸鈣化的球狀細(xì)菌直徑5～15 um。細(xì)菌表面吸附有大量碳酸鹽微顆粒，大小較均勻。觀察發(fā)現(xiàn)球狀細(xì)菌表面的碳酸鈣微顆粒吸附狀態(tài)有多種:部分細(xì)菌表面只有單層碳酸鈣微顆粒吸附，且顆粒吸附均勻;部分細(xì)菌表面吸附碳酸鈣明顯較厚，由厚層碳酸鈣微顆粒堆積而成，分布不規(guī)則。

圖1 1 000 ppm碳酸鈣溶液浸泡七個(gè)月后的細(xì)菌樣品 (掃描電子顯微鏡圖像)

圖2 1 000 ppm碳酸鈣溶液浸泡七個(gè)月后球狀細(xì)菌表面區(qū)域元素能譜分析圖

表1 1 000 ppm碳酸鈣溶液浸泡七個(gè)月后球狀細(xì)菌表面能譜分析元素表

2.2 非碳酸鈣化環(huán)境對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3顯示非碳酸鈣化環(huán)境處理五個(gè)月的細(xì)菌樣品，掃描電鏡圖像，部分腐敗的馬陸表皮組織表面具有大量處于生物狀態(tài)的球狀細(xì)菌(如圖3，圖4、表2)。細(xì)菌為球狀.直徑10 um左右，表面光滑，具生物特征。觀察發(fā)現(xiàn)無(wú)碳酸鈣顆粒吸附。細(xì)菌表面區(qū)域EDS分析也證實(shí)細(xì)菌主要由有機(jī)成分組成，其表面無(wú)碳酸鈣存在。

圖3 實(shí)驗(yàn)湖泊水浸泡五個(gè)月后的細(xì)菌樣品 (掃描電子顯微鏡圖像)

圖4 實(shí)驗(yàn)湖泊浸泡五個(gè)月后的細(xì)菌表面區(qū)域元素能譜分析圖

表2 實(shí)驗(yàn)湖泊浸泡五個(gè)月后的細(xì)菌表面能譜分析元素表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)人工模擬碳酸鈣化環(huán)境處理七個(gè)月的球狀細(xì)菌發(fā)生了明顯的碳酸鈣化作用。通過(guò)分析球狀細(xì)菌不同的碳酸鈣化狀態(tài)，可以將球狀細(xì)菌的早期碳酸鈣化作用分為兩個(gè)階段。首先，球狀細(xì)菌表面均勻吸附一層碳酸鈣微顆粒，再一層層的吸附堆積，形成厚層結(jié)構(gòu)。

在微生物碳酸鹽巖形成過(guò)程中，無(wú)論是微生物對(duì)沉積物的捕捉、粘附還是原地碳酸鹽的沉淀，起關(guān)鍵作用的是微生物胞外聚合物、微生物膜及微生物席，它們是微生物碳酸鹽巖形成的生物基礎(chǔ)[7]。微生物胞外聚合物主要聚集于細(xì)胞外，形成一種具粘結(jié)性的基質(zhì)，使得微生物附著于基底之上，能夠提供物理和化學(xué)保護(hù)作用。微生物膜是由生存于微生物胞外聚合物中的一薄層細(xì)菌群落組成，附著于需水環(huán)境的基底。微生物膜在合適的生態(tài)條件下繼續(xù)生長(zhǎng)而形成較厚的、較明顯的層而被定義為微生物席。

現(xiàn)代生物巖石模擬實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全模擬地質(zhì)歷史中的巖層的形成環(huán)境及過(guò)程[8]，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往難以與特定的巖層材料進(jìn)行對(duì)比，然而我們卻不能因此放棄對(duì)生物巖層過(guò)程的實(shí)驗(yàn)實(shí)證探索。通過(guò)更好地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，合理地選擇實(shí)驗(yàn)材料，現(xiàn)代生物巖石實(shí)驗(yàn)實(shí)證結(jié)果可以為理解地史中生物巖層的復(fù)雜過(guò)程提供更多信息。

4 結(jié)語(yǔ)

微生物碳酸鹽巖是微生物與沉積環(huán)境相互作用形成的產(chǎn)物，對(duì)微生物碳酸鹽巖的研究在揭示古生物與沉積環(huán)境關(guān)系以及對(duì)巖相古地理重塑發(fā)揮著巨大作用。

人工控制條件下進(jìn)行碳酸鈣化，球狀菌在該環(huán)境下可以快速發(fā)生碳酸鈣化。但是其它影響碳酸鈣化的因素有待研究。

微生物碳酸鹽巖的礦物組分非常簡(jiǎn)單，但由于其種類繁多，形成過(guò)程復(fù)雜，微生物證據(jù)匱乏，因此，對(duì)微生物碳酸鹽巖的研究具有一定的難度。只有對(duì)微生物巖進(jìn)行客觀觀察、描述和分類研究，才能對(duì)其形成機(jī)制、沉積模式做出科學(xué)的分析和解釋，需結(jié)合地層學(xué)、沉積學(xué)、古生物學(xué)以及埋藏學(xué)等其他學(xué)科的綜合分析，才能對(duì)微生物巖地質(zhì)意義做出正確推斷。

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