不同种类微生物及其碳酸酐酶对CO_2-H_2O-碳酸盐系统中碳酸盐岩的溶蚀作用

以从西南岩溶地区土壤中筛选出来的产碳酸酐酶(CA)的典型细菌、真菌和放线菌为材料,研究比较了不同种类微生物及其CA对CO2-H2O-碳酸盐系统中碳酸盐岩的溶蚀作用。结果表明,实验所用的3种典型微生物均对石灰岩和白云岩有明显溶蚀作用,真菌的溶蚀效果最显著,而且微生物CA对石灰岩具有明显的酶促溶蚀效果。微生物对石灰岩的溶蚀能力强于白云岩,加入石灰岩的真菌试验组中Ca2+浓度比加入白云岩的真菌试验组高8.0%,而且,真菌CA对白云岩的溶蚀能力明显强于石灰岩。上述结果为研究微生物及其CA在岩溶碳汇中的作用提供了科学依据。     

喀斯特石质生境高碳酸酐酶活性微生物筛选与分离

喀斯特地区存在丰富的碳酸盐岩,是地球上最重要的碳库。碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA)是地球上催化反应速率最快的几种酶之一,通过催化CO₂的水合反应,不仅可以促进碳酸盐岩的风化,还可以通过吸收大气中的CO₂来固定碳源。本研究目的是遴选喀斯特极度退化生境高CA活性菌株/菌群,探讨其用于喀斯特生态修复的可行性。利用碳酸钙培养基从喀斯特石质生境中分离筛选出产CA的菌株,并进行形态学观察、生理生化鉴定和分子生物学鉴定。通过CA活性的测定确定高CA活性的菌株,并比较单菌与多菌株组合群落的CA活性差异。利用碳酸钙培养基共分离得到产CA菌株6株,分别为耐药黄杆菌(Flavobacterium resistens)、食酸代尔夫特菌(Delftia acidovorans)、嗜根寡养单胞菌(Stenotrophomonas rhizophila)、食油假单胞菌(Pseudomonas oleovorans)、洞穴农杆菌(Agrobacterium cavarae)、白色杆菌(Bacillus albus),其中嗜根寡养单胞菌的CA活性最高,...     

微生物碳酸酐酶对石灰岩的溶蚀驱动作用研究

来源于西南几个不同类型岩溶地区土壤样品分离出来的微生物菌株中,有很多能够产生分泌胞外碳酸酐酶。以一株编号为GLCa102的菌株为代表,模拟岩溶自然环境条件,研究其胞外碳酸酐酶对灰岩的溶蚀驱动作用。结果表明微生物碳酸酐酶能使灰岩溶出的导电离子总量和[Ca2+ ]提高40%以上,从而对灰岩有显著的酶促溶蚀驱动作用。本研究表明微生物碳酸酐酶在生物岩溶中有重要的作用和地位,同时为深入研究生物对石灰岩的溶蚀作用提供了一定的科学依据。      

一株产铁载体细菌的筛选及其与云母的相互作用

        产铁载体细菌与云母类矿物相互作用的研究有助于了解矿物生物风化和土壤形成的演化规律和机理。采用纯培养法 自南京龙山废钾矿区酸模根际土壤分离筛选到一株高产荧光铁载体的细菌Z6,通过16S rDNA 序列分析和生理生化反应将其 鉴定为假单胞菌属（Pseudomonas sp.）;通过室温静置培养试验研究Z6 菌株与云母的相互作用结果表明,细菌生长代谢前期 （8~15 d）快速产生大量铁载体,菌株与矿物共培养75 d 后,产铁载体细菌对云母类矿物确实产生了风化作用,黑云母组发 酵液中Fe 含量增加了211 倍,Si 含量增加了约27.8 倍,SEM 显示云母表面出现溶蚀坑,细菌可以在矿物表面形成生物膜或 矿物- 细菌复合物。不同矿物对共培养体系中细菌数量、荧光铁载体含量、溶液pH 的影响不同。     

苏南地区碳酸盐岩的溶蚀性分析

为了解江苏南部地区碳酸盐岩地层的岩溶发育潜力,采集代表性岩石样品,并制作成统一规格的试片,开展一个水文年的溶蚀试验。结果表明,本地区碳酸盐岩的平均溶蚀速度约为1.42 mm?ka-1,与国内其它地区相比处于较低的水平,大致相当于西南地区的1/30,略高于北方岩溶区。实验证明了苏南地区二叠系、三叠系碳酸盐岩具有最强的溶蚀性,这为解释上述地层区的岩溶现象提供了地质依据。研究还表明,岩石的溶蚀性与Ca含量关系密切,同时也受岩石矿物成分、微构造影响,一般高Ca碳酸盐岩具有较高的溶蚀性。苏南地区的岩溶发育性以岩石溶蚀性为基础,但水动力条件也十分关键,宜兴地区二者兼备,岩溶最为发育。      

桂林毛村不同植被类型土壤微生物数量与碳酸酐酶活性比较

以非岩溶区林地为对比,分析了桂林毛村岩溶区4种不同植被类型土壤微生物数量及碳酸酐酶(CA)活性的季度动态变化规律,发现以下主要结果:1随着植被的正向演替,岩溶区弃耕地、草地、灌丛及林地微生物数量及CA活性逐渐升高,微生物总数从64.07×10~4cfu/g上升到178.23×10~4cfu/g,CA活性从0.77 U/g上升到1.82 U/g,岩溶区林地大于非岩溶区林地。2在岩溶区不同植被类型,微生物组成均表现为细菌最多(平均值95.14%),放线菌次之(平均值2.79%),真菌数量最少(平均值1.75%)。而在非岩溶区表现为细菌最多(平均值90.95%),真菌次之(平均值5.32%),放线菌最少(平均值3.73%)。3微生物数量季节动态整体表现为春季至夏季逐渐上升,至秋季达到最高,冬季下降,微生物总数的增长依赖于细菌的倍数增长,真菌和放线菌影响较小。CA活性整体表现为夏季和冬季低于春季和秋季,秋季达到最大值。4 CA活性与细菌及微生物总数呈极显著的正相关,表明土壤CA主要来源于细菌的分泌。     

喀斯特石漠化区不同优势树种根际土壤有机碳及氮磷的变化

通过对贵州中部喀斯特石漠化区典型植被及土壤进行调查,探讨森林退化过程中不同群落优势树种根际土壤有机碳及氮磷含量的变化。结果表明:根际土壤有机碳及氮磷含量均高于非根际土壤;在不同植被类型之间,林木根际对土壤有机碳及氮磷的累积效应存在明显的差异性,其中土壤有机碳的累积效应表现最明显,其次是土壤磷素,而土壤氮素累积效应的差异性较小。在树木根基0～30cm水平范围内,根际土壤总有机碳、易氧化有机碳、全氮、有效氮和有效磷含量都明显高于30～90cm外围根际区。不同群落优势树种之间,根际土壤碳及氮磷总量的差异性表现为总有机碳＞全氮＞全磷,而碳及氮磷的生物有效态含量则表现为有效磷＞易氧化有机碳＞有效氮。森林退化过程中,群落优势树种根际土壤总有机碳、易氧化有机碳及有效磷含量出现显著的下降,从而明显地影响土壤的肥力水平。      

硫酸型酸雨参与碳酸盐岩溶蚀的研究进展

碳酸盐岩的H2CO3溶蚀产生岩溶碳汇,占整个岩石风化碳汇的 94%。西南岩溶区硫酸型酸雨严重,硫酸型酸雨广泛参与碳酸盐岩的溶蚀。H2SO4参与的碳酸盐岩风化是一个大气CO2净释放过程,具有减汇作用巨大。另一方面,岩溶区石灰土壤和地下水具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有巨大的缓冲作用,大气酸沉降在碳酸盐岩地区可能并不会造成地下水的HCO3-和pH降低;相反,较高浓度的SO42-所产生的盐效应和SO2-4与各种阳离子形成的离子对会增大方解石、白云石溶解度,可增强H2CO3对碳酸盐的溶蚀,这可能会使岩溶作用产生更大的碳汇效应。因此,硫酸型酸雨参与碳酸盐岩风化的减汇效应不仅可能被高估,硫酸型酸雨还可能增强碳酸盐岩的H2CO3溶蚀,具有增加岩溶碳汇效应的作用。应结合石灰土壤对大气酸沉降的缓冲容量和阈值及大气酸沉降的H+与土壤中盐基离子的交换量,并综合考虑盐效应、离子对作用、同离子效应,客观评价硫酸型酸雨流经石灰土壤层后对碳酸盐岩溶蚀吸收大气/土壤CO2的影响      

基于扫描电镜和CT成像技术的碳酸盐岩溶蚀作用微观结构和变化规律研究

为研究溶蚀作用下碳酸盐岩孔隙的演变规律及控制作用,文章选取三峡地区4种类型碳酸盐岩开展溶蚀实验。同时结合扫描电镜、CT成像对实验前后岩石的溶蚀特征及孔隙结构进行测试。结果表明:溶蚀总发生在低晶格能的矿物处且沿矿物晶体的菱形解理面以及薄弱部位发育,表现为对矿物和孔隙等结构的选择性溶解;碳酸盐岩的孔隙度对溶蚀过程影响较小,岩石的孔径大小是影响碳酸盐岩溶蚀速率的重要因素;小孔径岩石的溶蚀多在样品表面发育小型溶孔,大孔径岩石的溶蚀主要发生在孔隙隙壁且有向岩石内部溶蚀的痕迹;经溶蚀改造,孔喉半径和连通性均呈现出增长趋势。本研究对碳酸盐岩差异性岩溶作用机理及岩溶发育规律的认识有一定指导意义。      

贵州普定县岩溶地区土壤空气中CO_2含量分布及溶蚀作用的研究

<正>可溶性岩石的溶蚀强度主要取决于侵蚀性水的多寡,而水的侵蚀性又因其中CO2含量不同而变化。因此岩溶地区能参予溶蚀作用的CO2多少,对于岩溶作用强度起决定性影响。根据L.Jakucs（1077）资料,地中海型（相当亚热带气候）地区的CO2来源中,大气占6％,无机来源占12％,有机成因为82％,后者主要是生物的分解、植物的呼吸作用。因而研究不同植被条件下,土壤空气中因植物的新陈代谢、微生物对有机物的分解作用产生的      

微型生物在岩溶碳循环中的作用研究回顾与展望

全球气候变化问题使岩溶系统碳循环的研究倍受关注,有关微型生物及其碳酸酐酶在岩溶系统碳循环中的作用的认识也在不断深入。文章回顾了微型生物及其碳酸酐酶在碳酸盐岩风化以及碳酸盐岩沉积过程中的作用过程及作用机制,指出未来的研究需结合不同岩溶生态环境,量化微型生物及其碳酸酐酶对岩溶生态系统碳增汇的影响,为深入研究微型生物及其碳酸酐酶对岩溶碳汇的贡献、增加岩溶生态系统碳汇的能力、助力实现碳中和提供参考。      

岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响

有资料显示陆地碳酸盐岩风化消耗大气CO2的碳通量与世界森林碳汇通量量级相当。但农业地区过量施用氮肥形成的硝酸对碳酸盐岩的溶解会减弱岩溶碳汇效应,其量可达到7%~38%,而适量施用氮肥在增加农作物产量的同时,能降低土壤C/N比,增加土壤微生物活性,促进有机物料分解,从而提高土壤CO2浓度,提高土下碳酸盐岩的溶解速率。因此,要从两方面分析岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇效应的影响。同时,岩溶区碳酸盐岩风化形成的土壤具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有较强的缓冲作用,可能是导致自然条件下,河流中溶解无机碳(DIC)与水体中钙、镁等离子并不守恒的原因之一,因此,运用端元法可能过高估算了硝酸对碳酸盐岩的溶解量。岩溶区土壤环境中硝化作用产生的硝酸到底多少能对碳酸盐岩产生溶蚀,并影响到岩溶碳汇效应还有待研究。应结合土壤本身的特性及河流生物地球化学过程,综合研究不同施氮水平、土壤硝化产酸及其影响下的土下碳酸盐岩溶解及碳汇效应过程,客观评价岩溶区土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响,并寻求适宜氮肥施用量及促进岩溶碳循环,提高岩溶碳汇效应的技术方法。      

半干旱岩溶区油松林显著促进碳酸盐岩溶蚀

植被覆盖通过促进碳酸盐岩风化吸收大气CO2, 在实现碳中和中具有重要作用, 但不同植被类型的影响强度仍不清楚。为揭示半干旱区植被类型对碳酸盐岩风化的影响规律, 以一个典型岩溶小流域为研究区, 通过系统的植被调查和野外溶蚀试片试验, 详细对比了不同植物群系的碳酸盐岩溶蚀率及其影响因素, 并探讨了不同分类层次植被的溶蚀率的差异。结果表明, 半干旱岩溶区碳酸盐岩溶蚀率在植被型组层次为森林>草地>灌丛, 在演替的早期减弱、后期促进溶蚀; 群系层次的对比发现油松(Pinus tabuliformis)林内碳酸盐岩溶蚀率最高, 是其它群系的5倍至近30倍; 不同群系对溶蚀率的影响强度的大小得以明确; 溶蚀率与土壤CO2浓度(pCO2)、土壤温度和土壤含水量任何单一因素无相关性, 而与三者匹配性有较好的对应关系, 与湿润区明显不同; 植被演替通过增强对溶蚀环境因子匹配性的调控能力, 促进碳酸盐岩的溶蚀。半干旱区油松林显著促进碳酸盐岩溶蚀, 进行群系层次的广泛对比研究可以更好揭示植被类型与碳酸盐岩溶蚀之间的关系, 为提高岩溶生态系统恢复的碳汇量提供有效指导。     

基于碳酸盐岩风化的碳源分析及土壤的影响作用机制

在CO2 - H2O- 岩石系统中由于碳酸盐岩的可溶性,使其回收土壤/大气CO2 的通量比硅酸盐岩更大。通过大陆河流湖泊HCO-3 来源和海洋碳来源两种计算方式得出,碳酸盐岩溶解回收大气CO2 的量是其它岩类的3倍以上。与同纬度地带性土壤相比,岩溶地区土壤通过促进土下碳酸盐岩的溶解与固碳作用对大气CO2 产生更为强烈的汇效应: 土壤的覆盖使土下碳酸盐岩的溶蚀速率平均提高4.35倍,从而加快了对土壤/大气CO2 的回收速率;富钙的土壤地球化学背景使石灰土富含胡敏酸钙,胡敏酸在土壤中的存留时间长达780～ 3 000年,是其它类型土壤有机质如富里酸的4～ 5倍,稳定的胡敏酸钙使土壤有机碳稳定性增加、周转周期延长而得以累积,固碳作用将减少土壤CO2 向大气的排放。石灰土的平均有机质含量比同纬度红壤、黄壤分别提高了44%、33% ,固碳作用十分明显。      

微生物对碳酸盐岩的风化作用

微生物-矿物相互作用可以促进许多表生生物地球化学反应过程,是表生地球化学研究的重要内容。通过综合岩石表面的微生物类群及其地质作用,分析碳酸盐岩微生物风化的各种现象,特别是微观尺度上的各种形态,阐述碳酸盐岩的微生物风化机制与风化产物,笔者提出微生物对碳酸盐岩风化的4种途径:(1)通过微生物在岩石表面和缝隙中生长,导致岩石表层发生生物溶蚀、生物磨蚀和生物钻孔作用,加速岩石风化进程;(2)微生物群体形成的钻孔网络可以增强岩石化学溶蚀的有效表面积并导致其表面强度减弱而促进机械侵蚀作用,微生物对周围岩石颗粒胶结结构的破坏、疏松作用也会导致岩石矿物颗粒的分解;(3)微生物的持水作用,微生物分泌的有机酸以及微生物呼吸所释放的CO2对岩表水分的酸化过程亦加速岩石矿物的分解;(4)微生物生长过程中从岩石内摄取营养元素和产生复杂的有机配体,能促进矿物元素的释放。文中提出在开展微生物对碳酸盐岩风化过程和机理研究的基础上,有必要引入微生物生物技术来综合开发本地低品位含钾磷矿产资源,加速岩溶地区山地土壤的形成与演化。     

IGCP448：岩溶生态系统全球对比研究进展

综述了IGCP 448项目"全球岩溶地质及有关生态系统对比"(2000-2004)执行四年来所取得的学术成果.其中比较重要的新认识有:(1)岩溶地区的植被,常常是涵养水分,增加含水层的贮水能力,改善水文生态环境的重要因素,但在澳大利亚南部岩溶区广泛分布的桉树,则以其强烈的蒸发作用,而被用于降低地下水位,防治土壤盐碱化;(2)在北方(Boreal) 或温带湿润气候生态区,地下岩溶系统则被用于排除沼泽地区过多积水,偏碱性的碳酸盐岩也有利于中和酸性环境,凡是岩溶发育的地方,都成了主要农业基地;(3)通过洞穴探险发现一类完全不同于靠光合作用产生有机质的生物群--化学自养微生物(甲烷菌);(4)中国西南典型岩溶区的研究表明,表层土壤微生物可以加速碳酸盐岩的溶解作用,并揭示了植物根系与土壤微生物是产生碳酸酐酶(CA)的两个重要供给源.     

中国南方表层岩溶系统的碳循环及其生态效应

表层岩溶系统因碳酸盐岩－水－CO²(气)三相的化学动态不平衡过程而产生特殊的碳循环环节,参加循环的碳包括碳酸盐岩中的碳、大气和土壤空气CO²部分。中国南方表层岩溶系统的碳循环非常活跃,并敏感地响应岩溶动力因素的变化,从而促进了地球化学过程和生物化学过程的结合,成为大气CO²汇的重要项。中国南方表层岩溶系统的碳循环通过驱动环境的元素迁移,促进土壤有机质的积累,并影响植物所需要的矿物质营养元素的全量和有效态,进而影响岩溶区的植物物种、特有性和作物的发育。     

地应力对碳酸盐岩溶解和岩溶发育的影响

地应力对碳酸盐岩溶解和岩溶发育的影响研究是一个值得注意但又长期被忽视的问题, 结合地球化学、地质热力学、矿物岩石学、岩石弹塑性力学方面的知识, 在理论上全面地分析地应力的影响.研究表明, 在应力作用下, 碳酸盐岩岩体内应变能提高、溶解反应自由能增加、裂隙发育特征与水流运动条件发生变化, 使得碳酸盐岩固体表面处溶解物饱和浓度增大, 改变了岩体内水流的厚度、水流流态以及水中碳酸盐岩溶解物浓度, 从而影响了碳酸盐岩的溶解速率; 且应力的存在改变了有效的水岩相互作用面积; 应力作用下碳酸盐岩溶解存在的"应力-溶解"耦合竞争循环机制使得岩溶发育出现混沌现象和自组织行为, 初始应力介入所导致的一个很微小的影响因可被迅速放大至成百上千倍而不可忽略, 自然界中碳酸盐岩岩体内溶解和结晶并存、串珠状溶洞以及孤立溶洞的形成发育机制一定程度上可归结为应力溶解自组织行为的结果.