低温环境下两种氨基酸对碳酸钙矿化影响的研究

黄龙景区高寒冷水型钙华沉积地貌环境中生存着大量的嗜冷微生物。为了探究这些微生物在低温及高浓度Ca~(2+)和HCO_3~-水环境中的代谢产物对钙华沉积的影响,本实验选取黄龙嗜冷细菌的两种特征代谢产物L-苯丙氨酸和L-半胱氨酸,通过模拟低温、含较高浓度的Ca~(2+)和HCO_3~-的实验环境,并利用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)等分析方法,来探讨氨基酸对矿化体系中碳酸钙沉积速率及其晶型和形貌的影响。实验结果表明:在特定模拟环境条件下,(1)L-苯丙氨酸和L-半胱氨酸均能促进碳酸钙的沉积。L-苯丙氨酸对晶型影响不大,产物均为方解石型碳酸钙,但是L-苯丙氨酸能抑制方解石晶面棱边的生长,使得晶体出现多面不规则的立方体形态;(2)L-半胱氨酸除诱导并促进方解石型碳酸钙的合成外还可以诱导文石型碳酸钙的合成。该结果可为黄龙地区钙华的生物成因研究提供一定的基础数据。     

柠檬酸对黄龙碳酸钙矿化影响的模拟实验研究

为探索生物因素在黄龙钙华沉积过程中的作用及参与程度,本研究以黄龙水体中2株嗜冷细菌胞外特征有机酸组分——柠檬酸为研究对象,通过模拟黄龙常年水温和p H值,结合碳酸钙晶体晶型和形貌,探讨柠檬酸钙化体系中的钙化过程及柠檬酸对碳酸钙晶型和形貌的影响。结果表明:1柠檬酸浓度高、p H值低和温度低都会一定程度地抑制碳酸钙沉积;2柠檬酸浓度(20、40、80、160mg/L)对碳酸钙晶型影响不大,主要合成方解石型碳酸钙,但随着浓度的增加,伴随有花瓣状形貌的生成;3随着p H值的增大,棱柱体形貌转变为边缘较为圆滑的椭球体。综上可见,柠檬酸对碳酸钙的钙化速率、晶型和形貌具有一定的影响和调控作用,其结果可为黄龙钙华生物成因的探究提供理论基础。     

黄龙嗜冷细菌胞外琥珀酸组分对碳酸钙矿化的影响

为探索黄龙钙华的生物成因,本研究以黄龙嗜冷细菌的胞外特征有机酸组分——琥珀酸为研究对象,通过模拟黄龙水体的低温沉积环境,利用X射线粉末衍射(XRD)和扫描电镜(SEM),考察了琥珀酸对钙化体系中的钙化动力学过程、碳酸钙晶型和形貌的影响。结果表明： ① 高浓度琥珀酸、低pH值,低温都会在一定程度上抑制碳酸钙沉积。② 高浓度琥珀酸可以诱导球霰石型碳酸钙的形成; ③ 高温促进了体系中碳酸钙微晶的聚合。综上可见,黄龙嗜冷细菌的胞外琥珀酸组分在一定程度上参与了碳酸钙的沉积过程,对晶体的晶型和形貌具有一定的调控作用。其结果可为黄龙钙华生物成因的探究提供理论基础。     

黄龙与黄石钙华微生物沉积作用比较研究

本文通过调查黄龙风景区水体的环境地质特征与微生物群落结构及多样性,并与黄石公园对比分析,探讨了两种特殊地理环境下的微生物群落结构和多样性及其对钙华沉积的影响。结果表明:黄龙沟泉水属于地下冷泉,且景区内覆盖着大量植被,水体中有大量藻类和细菌;黄石公园猛犸象温泉区泉水属于地下热泉,植被覆盖率很低,泉水中微生物多为嗜热菌,藻类较少。黄龙与黄石钙华主要由方解石组成并且微生物参与了钙华的形成过程。微生物对钙华沉积的作用,主要分为模板作用、产物诱导作用和代谢调控作用,对比探讨了特殊地质环境下的微生物对钙华沉积的贡献,指出微生物沉积作用在钙华沉积过程中的重要性,可为黄龙钙华“黑化”防治提供理论依据。      

雪宝顶流域黄龙彩池新生钙华生物沉积特性

为探究钙华沉积的生物特性,以雪宝顶流域黄龙景区的五彩池和争艳彩池为研究对象,采集和分析研究点藻类的优势种类,利用傅里叶变换红外光谱仪和高效液相色谱确定优势藻胞外产物的主要组成和含量,并采用X射线荧光光谱仪、X射线衍射光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪和扫描电子显微镜分析其新生钙华的元素组成、物相结构和微观形貌。结果表明:五彩池和争艳彩池的优势藻类分别是黄藻门（Xanthophyceae）和硅藻门（Bacillariophyta）,藻类的胞外产物主要为蛋白质、多糖和有机酸;新生钙华以方解石为主,表面含羧基、甲基、醛基等基团;与无藻类参与的钙华沉积物对比,新生钙华晶体无特定形状,并出现溶蚀及穿孔现象。藻类及其胞外产物参与钙华沉积过程,调控钙华晶体微观形貌。      

基于微岩相分析的藻类在钙华沉积中的作用研究——以四川黄龙为例

在地表环境下,钙华沉积常常是物理化学和生物沉积过程共同作用的结果。藻类因其在钙华沉积环境中具有较大的生物量及其自身拥有多样的代谢方式,对钙华沉积过程和形态具有重要影响。本研究以四川黄龙钙华为例,通过对典型沉积点的水化学、藻类群落组成和现代钙华微岩相结构进行综合分析,来揭示藻类在钙华沉积中的作用。研究发现,黄龙钙华沉积环境中分布的藻类主要包括蓝藻、绿藻和硅藻等。这些藻类代谢活动会在一定程度上改变沉积水体水化学环境,但在快速流动的水体中,其影响有限。不同藻类群落常常形成几百微米至1~2 mm厚的微生物席或生物膜层,作为碳酸钙沉积发生的重要场所,即钙华沉积活动层。在该活动层内,藻体及其分泌的胞外聚合物（EPS）能够为碳酸钙晶体生长提供大量成核位点和生长模板,从而极大地促进钙华沉积。同时,EPS可以控制或影响碳酸钙结晶形态及钙华微岩相结构。准确认识和量化藻类在钙华沉积中的作用还需要继续开展更多微观尺度方面的研究,以便更好地理解钙华沉积机制,并为准确解译古老钙华岩相结构和地球化学特征奠定基础,同时为预测钙华景观演化和保育提供更多科学依据。      

四川黄龙沟景区钙华的起源和形成机理研究

对四川黄龙沟钙华景区的水化学测试发现，形成黄龙沟钙华的泉水具有很高的Ca^2 和HC03^-离子浓度，相应地，泉水的C02分压显著高于大气和土壤生物成因所能产生的C02分压。结合泉水出露的地质条件和泉口C02气体碳稳定同位素组成(δ^13C＝—6．8‰)的分析，进一步发现，高C02分压与深部成因的C02有关。可见，黄龙沟钙华属于热成因类钙华，而非原来普遍认为的“是气候岩溶作用的产物”。此外，黄龙沟钙华的大量出现与水中方解石的迅速沉积、Ca^2 和HC03^-浓度的大量降低有关。随着地下水自泉口出露，由于水的C02分压远高于大气，水中C02大量释放于大气，结果水的pH值迅速升高，方解石饱和指数由泉口的负值很快转变为高的正值，为方解石的沉积奠定了必要的物理化学基础。放置于水中的大理岩石片观测表明，流速较快的边石坝处的方解石沉积速率是其附近水池内的2—5倍，这清楚地显示了水动力条件对沉积速率的控制。进一步根据DBL理论模型分析发现，水动力条件对方解石沉积速率的控制在于其对固液界面间扩散边界层(DBL)厚度的影响，流速愈快，DBL厚度愈薄。且DBL厚度最终制约着沉积表面的化学组成浓度，即厚度愈小，表面H^ 浓度愈低(或pH愈高)、方解石饱和指数愈高，进而方解石沉积愈快。     

世界自然遗产-四川黄龙钙华景观的形成与演化

本文对作者十余年来在四川黄龙(世界遗产地)的钙华研究成果和最新的一些监测发现进行了综述, 目的是为公众更好地了解黄龙、保护黄龙提供科学基础。主要结果和结论是: (1)黄龙钙华的形成是由于地球深部高分压的CO2在碳酸盐岩补给区产生富含碳酸氢钙的地下水, 当其以泉的形式出露地表时, 由于泉水的CO2分压远远高于空气, 泉水中的CO2大量逸出, 结果导致碳酸钙过饱和而发生沉积; (2)黄龙钙华的颜色以黄色为主色调, 主要是在雨季因雨水冲刷土壤向水中混入泥沙的缘故; 而在旱季, 钙华主要形成于清亮干净的泉水, 因此, 钙华的颜色呈现出纯净碳酸钙沉积的本色-白色。这也是黄龙洞钙华剖面年层中出现黄-白相间亚层的原因; (3)高精度的铀-钍同位素测年表明, 黄龙钙华主体是全新世以来形成的; (4)地表水向地下河的漏失是黄龙地表水日益减少, 导致钙华体表面干涸, 从而气生蓝藻大量滋生, 致使某些钙华变黑的主要原因, 因此, 有必要尽早采取防渗补水措施; (5)旅游活动已对黄龙钙华景观产生影响, 包括上游人为践踏使下游钙华池淤塞, 以及磷酸盐污染使硅藻等过度繁殖和钙华沉积速率可能降低等, 因此, 必须尽早采取相应防控措施。     

黄龙钙华纹层石特征与成因分析

为了探究黄龙钙华纹层石剖面褐-白相间混积纹层的特征与成因,对黄龙钙华样品进行了采集和分析。通过微波消解法分析不同颜色纹层钙华样品有机碳含量,并用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、元素分析仪等对样品的晶相、形貌、元素和Mg/Ca比等进行了分析。结果表明,黄龙钙华褐-白纹层有机碳含量、Mg/Ca比存在明显差异,褐色纹层有机碳含量、Mg/Ca分别高于相邻的白色纹层,有机碳的含量随着沉积顺序(由老到新)逐渐变大。钙华剖面年层中的褐-白相间纹层不仅受到微生物、植物等生物的影响,还受不同温度、水动力等气候因素的调控,即黄龙钙华剖面年层中出现褐-白相间纹层为生物-气候双成因。其结果可为寻找黄龙钙华沉积过程中生物参与证据提供一定的理论基础。     

四川黄龙钙华的形成

作者通过现场测试、实验及室内分析,从薄膜(扩散边界层)效应及水化学的变化对黄龙钙华进行了研究,得出黄龙钙华的沉积速率为0.43～4.7mm/a,其中速率较大者出现在流速较快(边界层较薄)的部位,如边石坝上;而速率较小者则出现在流速较慢(边界层较厚)的部位,如钙华池内。      

钙华非经典沉积的纳米生长过程与调控机制初探——以九寨沟—黄龙钙华形成为例

钙华是自然界重要的岩溶碳酸盐沉淀之一,其形成过程往往受到生命活动的影响,弄清钙华生物沉积作用有助于更好地理解钙华微岩相结构和地球化学特征的气候环境指示意义。本文以黄龙-九寨沟钙华形成为例,阐述黄龙-九寨沟现代钙华纳米结晶特征、纳米钙华的生长和集合体形态,分析模拟实验中生物有机质对钙华生长和形貌的调控原因,揭示了生物活动和代谢产物对纳米钙华成核、生长及钙华晶体形貌的调控两途径四阶段机制;为探究钙华成因、碳酸钙生长调控机制、钙华退化的因素及其保护和可持续利用钙华景观具有重要的科学价值。      

世界遗产——四川黄龙钙华景观退化现象、原因及保护对策分析

近年来, 随着游客人数的逐年增长, 黄龙国家级风景名胜区钙华景观出现了明显的退化现象, 主要表现为地表水量减少, 钙华彩池干枯、钙华沉积速率变慢以及水生藻类加速生长3个方面。为了阐明上述退化现象是源于旅游等人为活动因素影响还是自然因素变化所致, 我们首先对比分析了近年来景区上、下游泉水流量变化, 结果发现, 地表水量的减少是源于地表水向地下渗漏量的增加; 考虑到近年来景区内外工程活动的增强以及钙华沉积速率的减缓, 这种渗透性的增强很可能来自工程的爆破震动以及钙华沉积速率减缓所导致的钙华致密性下降。同时, 在对黄龙溪流水化学测试分析后发现, 旅游活动在很大程度上影响了黄龙风景区水质进而影响了水生藻类生长以及钙华沉积速率。因此, 我们推测, 黄龙钙华景观的退化, 在一定程度上可能应归结为人类活动的影响。     

雪宝顶流域黄龙“8·8”地震后短期内主要水环境变化特征

富含Ca2+ 和HCO3-的水体是黄龙钙华地貌得以持续沉积的首要条件。为明确2017年九寨沟“8·8”地震是否对黄龙脆弱钙华体产生影响并进而导致水环境的改变,于2017年10月和2018年8月对黄龙3个主要监测点进行了水样采集和水质参数检测。通过主成分分析震前的多次水质检测结果,得到影响黄龙水化学的主要参数,并与震后的水化学参数进行对比分析,发现:2016年（震前）水质参数显示pH、总磷、总氮对黄龙水质起主要贡献作用,地震后水体的pH、Ca2+ 和HCO3-含量上升,而总磷含量则下降较多,表明地震对黄龙钙华体内部结构产生了影响,导致上升泉（转花泉）中的Ca2+ 和HCO3- 含量增加,并影响了pH,而震后水体中的总磷含量减少,这可能与游客数量大幅度减少有关;“8·8”地震对黄龙钙华沉积区水环境造成了影响,并有利于钙华沉积。      

雪宝顶区块流域钙华形成的生物作用研究

钙华不仅具有重要的景观旅游价值,而且对确定区内碳酸盐沉积特征、环境演化规律及同期环境生物的作用与贡献有重要的研究意义。本文在对比国内外典型钙华特征的基础上,以黄龙和九寨沟为例,对雪宝顶区块流域内钙华的沉积特征、环境化学与生物作用进行阐述,指出了雪宝顶区块流域冷水型钙华的形成与演化是化学沉积-溶解作用、生物沉积与溶蚀作用等共同作用的结果,并受非生物、生物因素影响。在雪宝顶冷水型钙华的形成过程中,微生物协同参与了钙华的沉积与溶蚀过程,通过自身新陈代谢促活动促使使钙离子结晶,并诱导晶型变化;其他生物体如植物、藻类等或以间接的方式促进或加快了钙华形成,或为钙华生长提供模板和体量。      

基于钙均衡估算黄龙钙华沉积速率的探讨

从黄龙钙华的成因研究出发,结合地质历史分析及长观资料对核心景区景观水系统的相对稳定性作出了评价。通过对景观水中钙离子及其它组分含量在时间及空间上变化特征的分析研究,揭示了钙离子含量在时间上的相对稳定以及在空间上自上游而下逐渐降低的规律,这为采用钙均衡模式来研究钙华堆积区内的年沉积量提供了重要保证。在此基础上,进一步通过同位素测年、物探、测绘等综合手段对钙华堆积区内的历史与现代的平均沉积速率进行系统研究,并与前人的研究成果对比,验证了钙均衡模型的可行性和可靠性。计算结果表明,黄龙核心景区钙华的平均沉积速率为1～ 4. 86mm /a。