貝科奇，許天福，商松華，魏銘聰，金光榮，曹玉清，田海龍

(吉林大學(xué) 地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021)

目前對海底富含甲烷環(huán)境含鐵自生礦物的研究較多，但主要集中在原位環(huán)境的物理化學(xué)分析上。Zhang等[4]發(fā)現(xiàn)受AOM影響的黃鐵礦有著獨特的形貌，多呈莓球狀；Ding等[5]也對黃鐵礦形態(tài)和形成機制進行了研究，發(fā)現(xiàn)氧化還原條件的變化對黃鐵礦的形成有著重要的影響；羅祎等[6]通過分析水合物海嶺的巖心樣品，探討了海底沉積物中的鐵硫化物的磁學(xué)特征及其與甲烷滲漏、水合物賦存的關(guān)系。有一些學(xué)者通過室內(nèi)實驗來研究了相關(guān)反應(yīng)：Girguis等[7]在實驗室內(nèi)成功模擬了AOM-SR反應(yīng)，并對甲烷厭氧氧化速率進行了定量化研究；Timmers等[8]通過實驗研究了甲烷的遷移以及反應(yīng)過程中微生物的生長情況；魏銘聰?shù)萚9]在反應(yīng)釜中模擬甲烷泄漏環(huán)境，研究了硫酸鹽還原對水化學(xué)組分的影響。但是有關(guān)富甲烷環(huán)境中硫酸鹽還原作用如何影響含鐵自生礦物生成的研究還很少，暫無用以明確甲烷、硫酸鹽還原與含鐵礦物之間聯(lián)系的實驗研究。為此，本文利用低溫高壓反應(yīng)釜，模擬富含甲烷的海底淺表沉積層中的溫度、壓力、水化學(xué)組分和微生物等條件，通過研究相關(guān)微生物介導(dǎo)的生物地球化學(xué)行為，討論了在富含甲烷的海底沉積層中硫酸鹽還原作用對含鐵自生礦物生成的影響，這對于科學(xué)認(rèn)識海底富甲烷環(huán)境自生礦物的形成與富集具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 菌液制備

本次實驗過程中所用的菌種分離提取自珠江口近海底淺表沉積層淤泥。首先將保存好的淤泥樣置于除氧去離子水中震蕩靜置，再取其上清液接入經(jīng)過高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌(121℃，20min)的Postgate B培養(yǎng)基[10]，在35℃恒溫生化培養(yǎng)箱中厭氧培養(yǎng)。修正后的Postgate B培養(yǎng)基配方為：0.5 g/L K2HPO4,1.0 g/L NH4Cl,0.5 g/L Na2SO4,2.0 g/L MgSO4·7H2O,2.0 g/L NaCl,5 mL/L 70%乳酸鈉,1.0 g/L酵母膏。獲得母液后再進行傳代-富集，得到濃度較高的微生物母液。取部分母液接入SRB測試瓶中培養(yǎng)7天后，發(fā)現(xiàn)測試瓶中液體由無色變?yōu)楹谏?，且底部有黑色沉淀生成，證實培養(yǎng)后的菌液中有我們所需的硫酸鹽還原菌。

1.2 實驗裝置

實驗所用裝置如圖1所示，由氣體注入系統(tǒng)、海水注入系統(tǒng)、微生物注入系統(tǒng)和反應(yīng)釜四部分組成，其中最核心部分為恒溫箱內(nèi)的低溫高壓反應(yīng)釜(內(nèi)徑為80 mm，高位200 mm，有效體積為1 000 mL)，并配有有專門的溫壓監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)、模擬海水注入系統(tǒng)和微生物注入系統(tǒng)。實驗時反應(yīng)釜上層為99.99%的甲烷氣體，中間是配制的模擬海水，底部固相為模擬的海底沉積層，由于礦物的形成和結(jié)晶過程較為緩慢，本次實驗周期內(nèi)礦物沉淀量較小，收集困難，所以在固相層中還放置有經(jīng)過鹽酸酸化處理的花崗巖磨片樣本作為載體，用于承接礦物沉淀便于實驗后的觀測。反應(yīng)過程中可以從取樣口1和取樣口2進行取水樣進行分析，通過測試水環(huán)境和水化學(xué)組分的變化來探究發(fā)生的生物地球化學(xué)作用。

1.3 實驗條件

富含甲烷的海底沉積層水深一般為470～3 000 m，此類沉積層溫度約為0～10 ℃，壓力為4.7～30 MPa[11]。由于微生物活性對溫度的敏感性較大，低溫條件下(小于4 ℃)微生物代謝極為緩慢，在達到最適宜溫度前，溫度的升高會促進微生物的代謝。在實驗中為了加速微生物生長、提高微生物效應(yīng)，最終選用的溫度為10 ℃。本次研究探究的主要為富甲烷環(huán)境中的生物地球化學(xué)作用，應(yīng)盡量避免由于甲烷水合物的形成而對微生物-水-巖-甲烷相互作用產(chǎn)生干擾，所以溫壓條件應(yīng)在甲烷水合物形成的穩(wěn)定溫壓條件之外，同時結(jié)合實際甲烷區(qū)沉積層中的壓力大小，本次實驗最終選用的壓力為5 MPa。模擬海水的配置主要參考鄧光希等[12]與鄔黛黛等[13]對南海水合物區(qū)淺表沉積層孔隙水的研究，主要組分具體含量如表1所示。實驗過程中除了取樣和保壓甲烷氣體的補充外，與外界環(huán)境不存在任何物質(zhì)交換，排除反應(yīng)系統(tǒng)外陽離子供應(yīng)可能產(chǎn)生的干擾。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the experiment device

組分濃度/(mol·L-1)Ca2+1．01×10-2Mg2+5．13×10-2Na+5．16×10-1K+1．22×10-2Fe2+2．54×10-4SO2-42．81×10-2HCO-31．20×10-2Cl-5．63×10-2NO-31．00×10-3

1.4 實驗步驟及測試分析

2 實驗結(jié)果

2.1 水環(huán)境條件變化

圖2 水物理指標(biāo)隨時間變化曲線Fig.2 Solution physical indexes changing with timea. pH;b. ORP;c. EC

2.2 水化學(xué)組分變化

2.3 自生礦物的形成

對實驗前后的花崗巖巖片進行掃描電鏡觀察，尋找實驗過程中發(fā)生的自生礦物沉淀，找到礦物沉淀后再通過能譜儀進行成分分析。圖4為花崗巖片實驗前的掃描電鏡觀察照片，可以發(fā)現(xiàn)實驗所用花崗巖片主要礦物組成為含Si,Al,O,K等組分的長石，在之后的能譜分析過程中都會考慮背景礦物可能存在的影響。

實驗結(jié)束后，在花崗巖片表面發(fā)現(xiàn)了含F(xiàn)e，Ca，Mg的碳酸鹽礦物，典型的碳酸鹽礦物照片如圖5a和圖5b所示，由于實驗時間較短，生成的碳酸鹽礦物形狀不規(guī)則。圖5a的沉淀中主要有Fe，Mg，Na，Si，P，C和O等組分，其中Al和Si為背景礦物所含成分，推斷可能是沉淀于長石凹槽內(nèi)的鐵白云石。圖5b的沉淀呈棱角狀，能譜分析顯示其主要成分是Fe，C與O，推斷其為菱鐵礦沉淀。掃描電鏡觀察過程中還發(fā)現(xiàn)了較多鐵硫化物沉淀：圖5c中沉淀呈棒狀和球狀，主要組分為Fe，S，Si，O，其中Si和O為背景礦物所含組分，推斷其為鐵硫化物；圖5d中沉淀由Fe和S組成，為棒狀(長度<10 mm)的鐵硫化物。

圖3 相關(guān)離子濃度隨時間的變化曲線Fig.3 Relevant ion concentration changing with time濃度變化;b. HS-濃度變化;c. 總鐵含量變化

圖4 實驗前的花崗巖片表面掃描電鏡照片(a)和能譜分析(b)Fig.4 SEM images(a) and energy spectrum analysis(b) of granite slices before the experiments

3 討論

3.1 含鐵礦物沉淀的影響因素

硫酸鹽還原菌的生物地球化學(xué)作用產(chǎn)物形成時間與含鐵自生礦物的形成時間在實驗尺度上可能不一致，本文根據(jù)實驗中水化學(xué)組分的測試結(jié)果，進行礦物飽和指數(shù)計算，根據(jù)礦物飽和指數(shù)(SI)來定性判斷礦物的溶解或沉淀趨勢。SI為正值代表礦物沉淀，負(fù)值代表溶解，等于零代表平衡狀態(tài)。SI的計算方法如公式(1)所示[14]:

SIm=lg10Ωm=0

(1)

式中：SIm為m礦物的飽和指數(shù)；Ωm為m礦物的飽和度，%;計算方程如公式(2)所示。

(2)

式中：ci為第i個基本組分的摩爾濃度，mol/L；γi為第i個基本組分的熱力學(xué)活度系數(shù)；vi為第i個組分的化學(xué)計量數(shù)(反應(yīng)物取負(fù)值，生成物取正值)；N為基本組分個數(shù)；Km為m礦物的平衡常數(shù)，不同溫度的平衡常數(shù)計算公式如公式(3)所示。

(3)

式中：K2和K1分別為絕對溫度T2和T1條件下的平衡常數(shù);R為氣體常數(shù);ΔH為焓變。

本文采用地球化學(xué)模擬軟件PHREEQC對可能產(chǎn)生的含鐵自生礦物(由于鐵白云石組成的不確定性，這里未考慮鐵白云石)在反應(yīng)溶液中的飽和指數(shù)進行計算，其中電子活度負(fù)對數(shù)(pe)根據(jù)10 ℃時Eh計算得到，飽和指數(shù)計算結(jié)果如表2所示。水樣依據(jù)取樣的先后順序進行編號，可以發(fā)現(xiàn)在實驗的過程中，雖然溶液中的HS-離子濃度先升后降較為波動，F(xiàn)e2+離子濃度也一直處于下降狀態(tài)，但是鐵硫化物(FeS，F(xiàn)eS2)的SI一直為正值，也就是說整個實驗過程中鐵硫化物都處于過飽和狀態(tài)，在理論上都趨于沉淀。而菱鐵礦的主要成分FeCO3的飽和指數(shù)在反應(yīng)的前期為正值，中后期成負(fù)值，即菱鐵礦主要的沉淀時間應(yīng)該是反應(yīng)前期。這一方面是由于在實驗初期Fe2+含量高，一方面受控于pH值，反應(yīng)溶液pH值在反應(yīng)過程中不斷下降，不利于碳酸鹽礦物的沉淀。在實驗中觀察到有FeCO3沉淀生成，Taylor等[15]的研究表明菱鐵礦形成的有利環(huán)境是厭氧條件、亞鐵離子和重碳酸根含量高的環(huán)境，與本次實驗初期條件相符。針鐵礦(FeOOH)的SI值在0值附近波動，竇順梅等[16]對花崗巖地區(qū)次生礦物的沉淀飽和指數(shù)進行估算時，認(rèn)為針鐵礦的沉淀飽和指數(shù)約為4.0±0.5，本次實驗可能也未滿足其沉淀條件，未觀察到有針鐵礦沉淀。

圖5 掃描電鏡下的自生礦物及能譜分析Fig.5 Authigenic minerals under SEM and energy spectrum analysis

水樣pepHSIFeSFeS2FeCO3FeOOH1-0．133516．681．1515．750．540．812-1．975616．661．2712．480．430．763-2．362626．360．8010．790．04-0．544-1．526076．230．7212．26-0．06-0．045-1．230326．270．6412．81-0．150．256-1．204976．210．3512．32-0．270．067-0．814586．090．1912．73-0．340．138-1．157656．220．3412．38-0．140．149-1．167796．140．0811．83-0．24-0．1010-1．505796．250．4011．81-0．06-0．12

3.2 硫酸鹽還原作用與含鐵礦物沉淀的關(guān)系

硫酸鹽還原作用在大陸邊緣海相沉積物中是一個普遍現(xiàn)象，海洋沉積物中分布最廣的自生硫化物礦物是黃鐵礦(FeS2)，由于鐵和硫都存在多種價態(tài)，黃鐵礦的形成機理比較復(fù)雜。目前，有多種黃鐵礦形成過程的解釋，有一種理論提出，首先形成的是硫化亞鐵FeS[公式(4)]，而后FeS轉(zhuǎn)化為多硫化鐵[公式(5)]，最后多硫化鐵再與還原性硫反應(yīng)并聚合，形成黃鐵礦[公式(6)][17-19]。張美等[20]指出在最終轉(zhuǎn)化為黃鐵礦前，硫離子與孔隙水中的鐵離子反應(yīng)會生成亞穩(wěn)定的過渡產(chǎn)物鐵硫化物。本次實驗中有鐵硫化物沉淀生成，但是并未形成典型的形態(tài)產(chǎn)狀，可能屬于黃鐵礦的過渡產(chǎn)物，鐵硫化物沉淀多呈棒狀，可能與以桿狀硫酸鹽還原菌本體為晶核的沉淀作用有關(guān)。

(4)

(5)

(6)

基于現(xiàn)有的實驗結(jié)果，結(jié)合Chen等[21]關(guān)于硫酸鹽還原的研究成果，將硫酸鹽還原菌(SRB)與鐵硫化物沉淀的關(guān)系表示為如圖6所示。硫酸鹽在硫酸鹽還原菌的作用下還原產(chǎn)生HS-和S2-，它們與溶液中的鐵離子反應(yīng)，會產(chǎn)生鐵硫化物沉淀。

圖6 硫酸鹽還原菌與鐵硫化物沉淀的關(guān)系(據(jù)Chen等[22]修改)Fig.6 Relationship between sulfate reducing bacteria and iron sulfide precipitation (modified from Chen,et al[24])

3.3 甲烷與含鐵礦物沉淀的關(guān)系

4 結(jié)論

2) 在微生物作用下，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)生成了棱角狀的菱鐵礦和不規(guī)則形狀的鐵白云石，以及較多的棒狀鐵硫化物，其中鐵硫化物可能是黃鐵礦生成前的過渡產(chǎn)物。飽和指數(shù)計算結(jié)果顯示鐵硫化物沉淀趨勢明顯，菱鐵礦等碳酸鹽巖沉淀則主要集中在pH相對較高的實驗初期。

3) 硫酸鹽還原作用可直接影響鐵硫化物的沉淀，其作為電子受體參與甲烷厭氧氧化作用，又間接影響含鐵碳酸鹽巖沉淀；同時一部分甲烷成為硫酸鹽還原作用的電子供體，加速硫酸鹽的還原，促進鐵硫化物的沉淀。因此，海底沉積層中含鐵自生礦物的生成和底部甲烷滲漏關(guān)系密切，對天然氣水合物的賦存具有一定的指示意義。

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