嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的影响.doc
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1、嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的影响 作者: 日期:2 个人收集整理 勿做商业用途本科毕业论文(设计)题目:嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的影响姓 名: 熊 铎 班 号: 011073-18 院 (系):地球科学学院 专 业: 地 质 学 指导老师: 刘 嵘 职 称: 副 教 授 评 阅 人: 王国庆 职 称: 副 教 授 2011 年 6 月本科生毕业论文(设计)原创性声明本人以信誉声明:所呈交的毕业论文(设计)是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果,论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学
2、位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意. 毕业论文作者(签字): 签字日期: 年 月 日摘 要就目前沉积学和岩石学的研究,对于寒武纪大规模出现的白云岩目前还是没有合适的解释。学者们最新的研究认为,微生物的氧化还原反应以及其他一些生物化学反应,在早期成岩阶段的白云石沉淀过程中能够起到催化剂的作用。本文拟以在Mnica等人的实验基础上进行进一步的拓展,探究高温环境下嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的作用。我们在40、45、50,3个不同的温度进行了Mg/Ca=3、Mg/Ca=5、Mg/Ca=7、Mg/Ca=8,4个不同的Mg/Ca比例下嗜
3、热淀粉芽孢杆菌的培养实验。为了区别微生物体和微生物分泌物对白云石沉淀的影响,又分了带菌体和不带菌体的A、B两组.所有的实验组都产生了沉淀.对沉淀物进行的XRD和SEM分析结果表示,嗜热淀粉芽孢杆菌增加了细菌周围的微环境中的反应物浓度,提高了微环境中的PH,并提供了沉淀的场所,促进碳酸盐矿物的沉淀.确认了细菌在碳酸盐矿物的沉淀过程中并不仅仅是扮演了一个成核核心的角色。同时,对SEM结果的半定量分析得出了结论:嗜热淀粉芽孢杆菌的新陈代谢活动对碳酸盐矿物沉淀中Mg和Ca比例有一定的控制作用。关键词:白云岩 微生物成因 Mg/Ca 嗜热菌 ABSTRACTCurrently sedimentology
4、 and petrologic studies for the Cambrian largescale dolostone appear, still do not have the appropriate explanation。 Scholars latest research thinks, microbial REDOX reaction and some other biological chemical reaction, in early diagenetic stage of precipitation process of dolomite can have the role
5、 of catalysts。 This paper basis for experimental Monica,etc, We do bacillus cultivation experiment in 40, 45 in 40, 50 , three different temperature and Mg/Ca = 3, Mg/Ca = 5, Mg/Ca = 7, Mg/Ca = 8,4 different Mg/Ca ratios。 In order to find difference of microorganisms and microbial secretion in influ
6、ence of dolomite precipitation, we set A group with cell body and B group with out cell body. Experimental results suggest, microbial can promote carbonate mineral precipitation, and has some control function of Mg and Ca ions ratio in carbonate minerals.本文为互联网收集,请勿用作商业用途个人收集整理,勿做商业用途Key words: Dolo
7、mite,microbial factor,Mg/Ca ratio, thermophile bacteria目 录前言1第一章 研究目的与背景31。1。白云岩问题的化学动力学壁障31。2。白云岩微生物成因前人的工作41.2.1。硫酸盐还原菌(SRB)的作用41。2。2.普通需氧细菌的作用6第二章实验方法与过程92.1实验设计92。2实验流程102。2.1菌种的选择与获取102.2。2实验仪器及试剂122.2.3生长曲线的测定132.2。4Ca2+、Mg2+、CO32溶液的配制142。2。5沉淀实验15第三章实验结果193.1。实验过程中测得的PH和吸光度数据如下193。2。沉淀成分233.2
8、.1XRD分析结果233.2.2SEM分析结果23第四章讨论与结论334.1。嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的促进作用334.2。嗜热淀粉芽孢杆菌对碳酸盐矿物中Mg和Ca比例的控制作用334。3。实验的不足与改进34致 谢35前 言前寒武的古老地层中普遍出现分布广泛的大量厚层状的白云岩。如周口店地区西南黄山店、孤山口一带大面积分布的雾迷山组(Pt2w)灰色中厚层硅质条带白云岩、泥质白云岩夹褐黄色藻层泥质白云岩;黄山店、八角寨一带的铁岭组(Pt3t)中-厚层结晶白云岩(图0-1).但目前的白云岩成因研究成果很难解释为何有如此大量的白云岩形成。图0-1 铁岭组上段叠层石目前公认的白云岩形成的机制有浓
9、缩海水(萨勃哈)模式、混合水模式、和交代形成白云岩三种.1)萨勃哈模式:在高温条气候背景中,潮上带表层CaCO3沉积物,因急剧蒸发而脱水,紧邻的海水通过松散的沉积物的毛细作用不断向这里运移补充,并在这被压缩。文石和石膏先后晶出,Ca2+被大量消耗,剩余孔隙水的Mg/Ca比增高,结果就使表层沉积物被白云石化。2此种白云岩形成模式的环境下,孔隙水平均温度常在30以上,盐度是正常海水的58倍,Mg/Ca常大于10,PH则在9以上。2)混合水模式:Badiozamani用实验方法证明530左右海水的海淡混合水对白云石过饱和,而对方解石不饱和,所以当这种海水作用于方解石时就会引起白云石化.2此种白云岩形
10、成模式的环境下温度和PH会和正常海水相近,盐度比正常海水低。3)回流渗透白云岩化模式:潮上带形成的高镁粒间盐水,再其对表层沉积物白云化的同时,由于其密度较大,在重力作用下下渗回流。在下渗回流的过程中穿过下覆的灰岩时,必然会发生白云岩化.184)埋藏白云岩化模式:有些古代白云岩是在深埋条件下形成的,即后生白云岩。深埋白云石化对交代水溶液Mg/Ca的要求会随着温度的升高而降低,如在90时只需Mg/Ca=1/4;如在190时只需Mg/Ca=1/10。深部的地下水、压实水等带来的Mg2+进入到深埋的灰岩中,交代形成白云岩。2除上述4中模式以外,还提出了其他一些机理,例如调整白云化,玄武岩淋滤白云化,热
11、液白云化等。但这些模式明显都是范围和规模比较小的,似乎都很难解释为什么中、新元古代形成如此大规模和大面积的白云岩。广大学者尝试寻找一种能解释大范围白云岩形成或者白云岩化的机理模式。第一章 研究目的与背景1.1. 白云岩问题的化学动力学壁障白云岩的起源在沉积地质学中仍然是一个长期存在的难题,主要是因为在前寒武的古老地层中普遍出现大量的白云岩,但在现代条件中却很少出现。现代实验室中白云石无机物的沉淀需要高温或高压,pH值等的特殊条件。显然这些条件在现代沉积环境中并不存在。自从白云岩这个概念提出以来,人们对其成因进行了超过一个半世纪的探索。通过对现代白云岩和地质历史中白云岩的研究,得出了多种白云岩成
12、因模式,如萨勃哈模式、卤水回流模式、毛细管浓缩模式、混合水模式、热液白云岩模式等。虽然这些模式能解决局部地区白云岩的成因,但是它们都存在这很大的环境局限性,无法用来解释前寒武地层中形成的大规模白云岩。就目前的研究成果来看,白云岩形成的化学反应主要有2种:Ca2+(溶液)+Mg2+(溶液)+2CO2-3 (溶液)CaMg(CO3)2(固态);(1)2CaCO3(固态)+Mg2+(溶液)CaMg(CO3)2(固态)+Ca2+(溶液),(2)这两个方程式代表白云岩形成的两种方式。前一方程式表示白云石直接从水溶液中沉淀,可形成原生白云岩;后一方程式表示的是方解石或文石被白云石交代的过程,即白云岩化作用
13、,形成的是成岩白云岩.式(1)为原生沉淀白云石的化学反应式,平衡系数K=aCaMg(CO3)2/(aCa2+aMg2+(aCO32)2)。其中ax是离子活度,固体和纯液体为1。现代海水中Ca2+、Mg2+和CO32-的离子活度积为10-15.01,而Moore等根据孔隙水中离子活度计算的K值大约为10-16.11016.4,比海水中实际K值小一个数量级,所以理论上现代海水对白云石是过饱和的.而式(2)为交代成因白云石的化学反应式,平衡系数KaCa2+/aMg2+=0。67。现代海水的Mg/Ca摩尔比为5。2,远大于0.67,说明现代海水中白云石是能够形成的7.然而无论是原生白云石还是交代白云石
14、,在现代海水中却很少沉淀,说明应该是反应速率的问题,即主要受化学动力学的控制。众所周知,影响反应速率的因素主要是反应物的浓度、温度和催化剂的存在。现代海水环境下,影响白云石沉淀的浓度因素包括以下个方面:(1)镁离子。海水中部分Mg2+、Ca2+是以水化合物或络合物的形式存在。水分子作为极性分子,又有氢键的存在,对溶液中的离子有较强的静电引力.而Mg和Ca同属第二主族,Mg为第三周期,Ca为第四周期,Mg2+半径比Ca2+半径要小.所以Mg2+与水之间的静电引力比Ca2+与水之间和Mg2+与CO32- 之间的静电引力都要大。因此,在常温常压环境中Mg2+不易进入到白云石晶格中,Mg2+的水合作用
15、阻止了过饱和溶液中白云石的沉淀;(2)碳酸根离子.现代海水中CO32-的浓度不高.现代海水中HCO3 与CO32的浓度加起来才2.27103mol/L,沉淀白云石所能利用的CO32-十分少,所以白云石难以沉淀。(3)硫酸根离子。溶液中Mg2+常与SO42-结合形成中性强离子对MgSO40,使得溶液中可利用的Mg2+浓度再次降低;同时MgSO40吸附到正在生长的晶体表面,进一步阻碍白云石的生长。因此前人研究认为,溶液中的SO42是限制低温白云石形成的主要动力学因素,即使SO42浓度非常低,也会抑制白云石的形成.正如大多数人工合成白云石实验所证明的那样,在地表温压条件下,若没有催化剂的存在,白云石
16、只能在高温下形成.7文档为个人收集整理,来源于网络个人收集整理,勿做商业用途1.2. 白云岩微生物成因前人的工作近20年的研究发现,微生物的氧化还原反应,即呼吸作用,以及微生物的其他一些生物化学反应,在早期成岩阶段的白云石沉淀过程中能够起到“催化剂” 的作用:它增加了孔隙水中的反应物浓度,增加了细菌周围的微环境的PH值,使得细菌周围的微环境更适合于白云石的沉淀,或许释放出的胞外分泌物也能够对白云石的沉淀造成影响,同时,菌体也作为沉淀的核心为白云石的沉淀提供了场所.从而增大了白云石沉淀的反应速率,有利于白云石的沉淀.在寒武纪生物物种大爆发之前,地球上的生物几乎全部为微生物,海洋很可能是藻类和菌类
17、的世界。因此如果白云岩的微生物成因模式成立,则可以很完美地解释前寒武纪的白云岩的原生成因。1.2.1. 硫酸盐还原菌(SRB)的作用如上文所述,溶液中Mg2+与SO42 结合形成MgSO40,所以SO42-的存在会抑制白云石的沉淀.因此,降低溶液中的SO42浓度显然有利于白云石的沉淀。如深海缺氧、富含有机质的沉积物中,普遍发生的硫酸盐还原反应就可以降低孔隙水中的SO42-浓度:2CH2O(碳水化合物)SO42H2S2HCO3-这个过程需要硫酸盐还原菌(SRB)的参与。Vasconcelos等也发现在硫酸盐还原细菌(SRB)参与的实验条件下可沉淀出铁白云石。于是,他们提出这些厌氧微生物的调节作用
18、可能在铁白云石在自然环境沉淀过程中起关键作用.Crisgono Vasconcelos, Rolf Warthmann等人在巴西Lagoa Vermelha海岸的一个泻湖中直接发现了现代与微生物有关的含白云石的沉积,并统计出含白云石的沉积物中白天和夜间氧气和硫化物含量在垂向上的变化,并对硫氧化细菌和硫还原细菌与白云石形成有关的新陈代谢进行了详细的阐述4。他们认为这里的白云石沉积可能是在硫氧化细菌和硫还原细菌作用下形成的。之后Warthmann等进行了模拟巴西的Lagoa Vermelha泻湖缺氧沉积环境下白云石的沉淀实验,发现硫酸盐还原细菌确实可以获得白云石沉淀。他们将硫酸盐还原细菌置于30C
19、的人工配置的溶液中让其繁殖30天,溶液中产生了白云石沉淀.沉淀物晶体形态与巴西Lagoa Vermelha沉积物中的白云石非常相似。实验结果表明硫酸盐还原细菌在低温缺氧条件下可促使白云石沉淀。4他们认为之所以微生物能够促进白云石的沉淀,主要是因为硫酸盐还原细菌(SRB)的活动降低了环境中的SO42-离子浓度,从而从MgSO40络合物中释放出更多自由的的Mg2+离子,促进白云石的沉淀。图1-1 Crisgono Vasconcelos等人在巴西Lagoa Vermelha的沉积物(microbial mats)中发现的高镁方解石扫描电镜照片,比例尺5mm4图1-2 Crisgono Vascon
20、celos等人在巴西Lagoa Vermelha测得的沉积物(microbial mats)白天和夜间氧气和硫化物含量在垂向上的变化41.2.2. 普通需氧细菌的作用2009年Mnica Snchez-Romn, Judith A. McKenzie等人在地球与行星科学快报发表一篇题为Presence of sulfate does not inhibit low-temperature dolomite precipitation的文章,在这篇文章中他们提出了一种与前人工作结果大不相同的白云岩微生物成因的可能性3.他们认为,在类似于现代自然海水的环境下,微生物的作用可能使得微环境发生改变,使
21、白云石从海水中析出.他们用两种十分普通的嗜盐菌及杆菌,在25与35利用琼脂培养基,初始pH为7.27。4,Mg/Ca为7。5的条件下成功的得到了球状的白云石结晶.表1-1 Mnica等人的实验结果3图13. Mnica等人实验中获取的球状白云石结晶3图14 Mnica等人实验中获取的矿物结晶3,D-小的球状矿物-白云石, HM-较大的球状矿物菱镁矿,S鸟粪石我们在Mnica等人的实验基础上进行一些改进,探索其他种类的细菌能否促进白云石的沉淀,同时调整实验环境使之更加接近前寒武的环境。第二章 实验方法与过程2.1 实验设计Mnica等人的实验中采用的是固体培养基,只能对白云石的沉淀进行定性的分析
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