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科研快讯 微生物在矿物形成过程中的作用

发布日期: 2020-12-16 阅读次数:
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周怀阳 彭晓彤

1. 引  言        

微生物是地球上最古老、构造最简单的生物。研究发现,微生物参与或影响了自然界中多种矿物的成核、结晶与生长过程,并最终导致矿物的形成。微生物学家将这些过程统称为“微生物矿化”。生物矿物是微生物矿化过程的最终产物,它是微生物通过新陈代谢活动或在生物控制条件下形成的一种矿物相。生物矿物在形状、大小、结晶度、同位素和微量元素组成方面与无机成因同类矿物相比具有不同的特殊性质[1]图1)。人们越来越深入地认识到,自然界中广泛存在的微生物,以及它们内在的生物矿化能力,是驱动地球化学循环和影响地球环境的一个极其重要的因素。

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图1  铝土矿中由微生物作用形成的针铁矿,呈特殊的球状形态(https://www.zhihu.com/question/25264137,新增配图)

早在1887年,Winogrdsky 就发现了化能合成自养细菌Beggiatoa trevisan能将H2S气体氧化成元素S,导致单质硫矿物的形成。1938 年,Ehrenberg 研究发现需氧嗜中性铁氧化菌Gallionella ferruginea与沼泽中红褐色铁氧化物的形成有密切关系。1975年,Blakemore首次发现细菌体内包有磁铁矿(Fe3O4)的趋磁细菌[2]。1990年,Zierenberg等发现海底热液微生物被硫砷银矿等矿物所交代,认为银矿化可能受生物地化作用所控制。1997 年,Taylor等发现东太平洋海隆热液流体中的硫氧化菌能够排泄出不规则的丝状元素硫,并认为这些丝状元素硫的产生是硫氧化菌对流体中H2S氧化的直接结果。2000年,Labrenz等根据分子生物学证据和有机地球化学证据,证实了球粒状闪锌矿的沉淀与硫酸盐还原菌的新陈代谢作用密切相关[3](图2)。近几十年来,微生物矿化研究在地质学、地球化学、微生物学、古生物学、仿生学、医学、材料学等学科领域蓬勃发展,大量的微生物参与氧化物、氢 氧化物、碳酸盐、硫化物、硫酸盐、磷酸盐、氯化物、氟化物、氧化硅等70余种矿物形成的证据陆续被发现。目前,根据微生物作用的差异,微生物矿化分为两种主要类型:微生物诱导矿化和微生物控制矿化[1]

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图2  硫酸盐还原菌的新陈代谢活动导致球粒状闪锌矿的沉淀[3]

2. 微生物诱导矿化

微生物诱导矿化是指微生物的新陈代谢活动影响了周围环境的 pH、pCO2、Eh以及有机质(多糖、蛋白质等)的累积,进而导致局部微环境变化并引发矿物沉淀(图3)。在这一过程中,微生物仅仅是一个成矿的原动力,并不能控制矿物的类型和生长习性。生物诱导成因矿物的标志是其具有异质性,矿物的形貌、含水量、成分、大小和结构随环境不同具有较大的差异。在自然界中,蓝细菌(cyanobacteria)通过光合作用驱动碳酸钙矿物形成是微生物诱导矿化的典型例子[4]。在光合作用过程中,蓝细菌通过从水体中吸收和固定溶解无机碳,提高了周围水体的pH,使化学反应向有利于碳酸钙沉淀的方向进行,导致了碳酸钙矿物的结晶与生长。这种与蓝细菌新陈代谢活动相联系的微生物诱导钙化被认为是最常见的微生物参与碳酸钙沉淀的方式。

在生物诱导矿化过程中,微生物细菌壁和微生物分泌产生的胞外聚合物质(EPS)作为矿化场所的作用十分显著。成核是晶体形成和生长必需的条件,否则即使在近饱和或过饱和的环境中,矿物沉淀作用也不会自发地进行。微生物细胞壁和EPS上广泛存在的化学官能团(R—COOH、R—OH、R—NH2等)为生物矿物的形成提供了必要的成核中心。在细胞壁和EPS对成矿阳离子聚集过程中,其上暴露的羧基和磷酰基等基团可为阳离子的静电和化学吸附作用提供必要的负电荷点。一旦络合作用发生,化学键连接的金属离子则能作为进一步络合和矿化作用的成核点。

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图3  微生物诱导矿化模式图[1]

3. 微生物控制矿化

微生物控制矿化是指微生物利用细胞活动指导生物矿物的成核和生长过程,并控制生物矿物的形态和形成位置(图4)。尽管不同种属的微生物对矿物形成的控制程度不同,但几乎所有的微生物控制矿化过程均发生在一种相对隔离的微环境中。在这种微生物控制矿化过程中,泡囊通常是一个理想的相对隔离的成矿微环境,它指导了生物矿物在微生物体内的成核,控制着生物矿物的组成和形态,“加工”和“组装”着精密的、具有种属特异性的矿化产物。与此同时,这些矿化产物还常常使生物体具有特定的生理学功能。

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图4  微生物控制胞内矿化模式图[1]

微生物控制矿化作用的典型代表是趋磁细菌(magnetotactic bacteria,图5),它们是一类能沿着磁场方向和氧浓度梯度方向运动的革兰氏阴性细菌,在陆地和海洋环境中均有发现[5]。趋磁细菌体内晶形独特的、由膜包裹的磁性矿物颗粒(磁小体)为我们展示了微生物控制矿化作用的鬼斧神工。这些磁小体一般为20~120nm长,化学成分主要是磁铁矿或胶黄铁矿,化学纯度高,在趋磁细菌体内呈链状排列。它们的晶形不同于无机成因磁铁矿颗粒,主要有立方八面体、六边棱柱体和子弹头状等,其形成受到了微生物细胞内严格的生物和生化作用控制。趋磁细菌内的磁小体已被当作生命磁性化石,成为探索地球早期及地外生命活动的重要线索。

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图5  趋磁细菌细胞内链状排列、形状各异的磁铁矿磁小体

4. 与微生物矿化相关的若干地学问题

微生物在矿物形成过程中的作用是涉及多学科的新兴边缘交叉研究领域。当前,微生物矿化与金属矿床形成、地球生命起源、地外生命探寻、元素地球化学循环的关系以及微生物矿化的分子机制等是这一前沿研究领域的焦点。

元古代燧石条带含铁建造构成了全世界最丰富的铁矿资源,包括了世界上最重要的大型和超大型铁矿床。关于这些矿床的成因学术界一直争论不断,问题主要集中在海洋中的溶解Fe2+如何被氧化成Fe3+而沉淀下来。近年来的研究认为,海洋微生物活动(包括蓝细菌和化能自养铁氧化菌)可能是导致这些元古代超大型铁矿建造形成的主要原因[6]图6)。蓝细菌的光合作用增加了水体中的含氧量,使当时海洋中的铁氧化物大量沉淀。同样,化能自养铁氧化菌具有直接将Fe2+氧化成Fe3+的功能,亦可使铁氧化物大量沉淀。除大型铁矿以外,一些金矿、磷灰石矿的形成也与微生物活动联系紧密。尽管至今为止这些矿床的确切成因尚无定论,但微生物矿化理论为合理解释它们的形成机制提供了新的思路。

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图6  一种可以氧化Fe2+的光能利用菌(据Posth et al., 2011;新增配图)

微生物矿化过程不但可以在微生物胞外或胞内产生生物矿物,而且在某些情况下可以使整个微生物个体被完全矿物交代,形成微生物化石而永久保留下来。由于微生物是最早出现在地球上的生命,因此寻找古老地层中的微生物化石可为地球生命起源时间、生命起源的条件、早期生命的存在环境以及早期生命演化研究提供重要的信息。目前有确切地质记录保存的微生物化石的年龄为35亿年(图7)。地球生命产生的时间是否更早?是在怎样的环境和条件下产生的?要回答这些问题,需要不断地寻找更古老的微生物化石,刷新地球生命起源的时间记录。此外,在地质环境中的生物矿物还可以作为一种生物信号,用来重新认识地外星球(火星和木卫二)的起源和演化历史,寻找地外生命存在的证据。

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图7  目前发现的可能最早的微化石记录(据Dodd et al., 2017;新增配图)

现在已经知道,地球上许许多多的微生物直接或间接参与了微生物矿化过程,使溶解态的离子向固态的矿物转化,影响多种重要元素(Fe、Mn、Si、Ca、S、P、C等)的生物地球化学循环过程。例如,铁氧化菌的矿化过程可以显著影响环境中Fe2+和Fe3+的循环,而硫酸盐还原菌的矿化过程则可局部主导水环境中S和Fe形态转变,影响S和Fe的生物地球化学循环过程。然而,目前人们还不清楚微生物矿化过程对生物地球化学循环的贡献究竟有多大?它们发生的速率如何?定量估算微生物矿化过程对地球元素循环的贡献,认识微生物矿化过程产生的生物地球化学效应,也是微生物矿化研究中令人十分关注的问题。

参与微生物矿化过程微生物的多样性与微生物矿化过程产生的生物矿物的多样性使得微生物矿化机制的研究格外具有吸引力。当前的微生物矿化机制研究已经从原来单纯的显微形态学研究发展到分子水平上的研究。揭示活性生命物质在生物矿物合成中的作用,寻找控制生物矿物形成的功能基因,探寻生物矿物形成的分子机制,赋予了微生物矿化机制研究崭新的活力。近几十年来微生物矿化作用的深入研究,搭建了无机矿物与有机生命之间联系的桥梁,极大地促进了地球科学和生命科学研究的发展,彰显出这一研究领域强大蓬勃的生命力。

本文作者:周怀阳 同济大学海洋与地球科学学院 教授 Email:zhouhy@tongji.edu.cn;彭晓彤 中科院三亚深海科学与工程研究所 研究员 Email:xtpeng@idsse.ac.cn。本文摘录自《10000个科学难题·地学科学卷》,科学出版社,2010.

主要参考文献

[1] Dove P M, Yoreo J J D, Weiner S, et al. Biomineralization. Washington: Mineralogical Society of America, 2003.

[2] Blakemore R. Magnetotactic Bacteria. Science, 1975, 190: 377–379.

[3] Labrenz M, Druschel G K, Thomsen-Ebert T, et al. Formation of sphalerite (ZnS) deposits in natural biofilms of sulfate-reducing becteria. Science, 2000, 290: 1744–1747.

[4] Dupraz C, Reid R, Braissant O, et al. Processes of Carbonate Precipitation in Modern Microbial Mats. Earth Science Reviews, 2008, doi:10.1016/ j.earscirev.10.005.

[5] Frankel R B, Bazylinski D A, Johnson M S, et al. Magnetoaerotaxis in marine coccoid bacteria. Biophys J, 1997, 73: 994–1000.

[6] Konhauser K O, Hamade T, Raiswell R. Could bacteria have formed the Precambrian banded iron formations? Geology, 2002, 30(12): 1079–1082.

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