微生物介导的热融湖碳循环关键过程研究进展

极地超常的变暖引起多年冻土不断退化并形成热融湖,该过程释放温室气体与气候变暖形成正反馈。微生物在碳循环不同环节均发挥着重要作用,理解热融湖中微生物对碳循环的调控机制,对于应对未来气候变化具有重要意义。综述了热融湖微生物参与的关键碳循环过程：梳理了热融湖形成过程和形成后微生物群落组成与分布;对有机碳分解、产甲烷和甲烷氧化等过程中涉及的主要微生物类群进行了总结;凝练了微生物对碳循环的调控机制及受环境变化的影响机制与要素。基于已有研究,得出如下认识：(1)多年冻土融化形成热融湖主要以陆生有机质为主,一些营养物质如磷酸盐、植物纤维素和亮氨酸残基等生物聚合物从陆地进入水体。(2)在多年冻土融化形成热融湖过程中,随着温度和通气条件的改善,有机质及各种生物聚合物可利用性增加了微生物功能基因多样性,提高了微生物对有机碳的分解潜势。温度、底物、溶解氧等和微生物群落的变化引起微生物代谢途径等的改变,从而影响了甲烷产生、甲烷氧化及固碳等过程,最终影响碳循环。(3)为了加深对热融湖中微生物介导碳循环过程的理解,提出了未来研究的方向：借助宏基因组技术及室内培养实验更加清晰地揭示微生物对碳循环各个过程的调节机制,...     

煤层气生物工程关键预处理技术及其作用机制评述

煤层气生物工程是以实现煤炭资源清洁化利用和煤层气资源强化采出为目标的一项新兴技术。为探究煤层气生物工程关键预处理技术的特点、生烃潜力及其作用机制,对不同预处理技术进行了归纳与总结,并按煤(有机质)与菌(微生物)的作用方式将预处理技术分为菌群优化与改良、煤的溶解与氧化、生物刺激与协同3种类型,通过不同预处理技术下微生物降解煤生成甲烷能力的强弱关系的比较,认为不同预处理技术均对生物甲烷具有增产作用,其中,菌群优化与改良技术增产效果最高,达到428.6%~2 335.2%(平均1025.4%),是通过提高产甲烷菌丰度或提升菌群数量来达到增产甲烷的效果,适用于烟煤储层及微量元素充足条件;其次是煤的溶解与氧化技术,甲烷增幅达17.6%~733.3%(平均223.4%),作用机制是增加生物酶水解作用位点、降低煤分子间作用力、脱落含氧官能团、降低煤结晶度和破坏煤的芳香结构使煤更容易被微生物利用,适用于高阶煤储层及低孔低渗条件;生物刺激与协同技术,甲烷增幅达28.3%~620.5%(平均148.6%),是利用不同方式刺激微生物体内的生物酶活性和增加菌?煤接触面积来增产生物甲烷,适用于褐煤储层及胍胶压裂条件。研究结果对于丰富煤层气生物工程基础理论和指导现场工程应用均具有重要的科学意义。      

海洋极端环境微生物活动与油气资源关系

为了弄清海洋极端环境下微生物参与油气资源形成和演化的潜在机制, 进行了现代海洋热泉和冷泉等环境中微生物类型分析和生物量估算, 探讨了极端微生物活动和油气资源的潜在关系.认为海洋极端环境下微生物类型主要为细菌和古细菌, 热泉微生物群落主要为异养发酵菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等; 冷泉微生物群落主要为ANME-2族的厌氧甲烷氧化古细菌、硫酸盐还原细菌和ANME-1族厌氧甲烷氧化古菌.这些极端微生物利用CH₄和H₂S等气体进行能量固定, 有较高的生物丰度和较低的分异度, 具有垂向和水平分带性, 并能营生一套独特的宏体生物.极端微生物活动直接和间接地参与了油气资源的形成和改造, 示踪海底油气资源的变迁.对于探索地球早期海洋微生物活动与油气资源形成, 寻找地史时期或华南地史早期烃源岩具有重要理论和实践指导意义.      

云南保山盆地生物气生成模拟实验及生物气资源预测

根据有机地球化学、微生物学实验方法,对云南保山盆地生物气源岩进行了研究。鉴定了主要气夺中产甲烷细菌等厌氧微生物分布,求取了不同温度下生化甲烷产率,揭示了盆地生物气生成特征,从而建立了盆地生物气生成模式和评价依据,结合盆地地质背景及有机地球化学特征,进行了盆地生物气生成量预测,指出了有利勘探区。     

生物气研究现状与勘探前景

综合论述了生物气的特征及其研究进展,着重探讨了生物气成因、地球化学特征、勘探研究现状、生物气形成机制和控制因素,并介绍了生物气系统概念和特征,最后叙述了生物气藏的分布和我国生物气藏的远景。生物气是在还原环境的生物化学作用带内有机质为厌氧微生物所分解的最终产物,它以甲烷为主,并含部分二氧化碳及少量氮气和其它微量气体组分,生物甲烷气δ13C1值一般小于-55‰。生物甲烷气的形成途径主要有乙酸发酵和CO2还原2种类型。生物气生成与其所处的沉积环境、古气候、有机质的类型和丰度、水介质性质、地质作用、沉积时间等众多因素密切相关。生物气埋藏浅,分布广泛,一般存在于三角洲、大陆架和部分陆相沉积环境中,储层时代主要为白垩纪、古近纪、新近纪和第四纪。白垩纪的储量最丰富,古近纪、新近纪次之,第四纪生物气藏的规模一般较小。我国生物气勘探研究历史虽然不长,但生物气资源量丰富,具有良好的勘探前景。     

生物岩的分类

生物岩是新兴交叉学科生物岩石学的主要研究对象，是生物作用形成的岩石，主要包括生物礁岩、非造礁生物骨骼和泥晶组成的岩石、微生物骨骼组成的岩石、微生物作用形成的岩石。以往的生物礁和微生物岩分类系统只包括了一部分生物礁岩和微生物岩，尚有一部分宏体生物形成的岩石类型和微生物形成的岩石类型没有准确命名。为了促进生物岩的研究，作者提出一个包括生物礁岩、非造礁生物骨骼碳酸盐岩、微生物岩和其他微生物成因岩石的统一的生物岩分类系统，包括4个层级24种基本岩石类型。新增的基本岩石类型包括生物泥晶岩、微礁岩、微屑岩、包壳石、微骨架岩、微绑结岩、丝状岩、微泥晶岩等。作者还对部分岩石例如骨架岩等的定义进行了补充修正与完善，讨论了生物岩研究中存在的4个问题。     

垃圾填埋场覆层甲烷生物减排技术综述

垃圾填埋场服役期间会因微生物降解有机物释放大量甲烷,即使有气体收集装置,仍有甲烷逃逸到大气中。甲烷气体是造成温室效应的重要气体之一。甲烷氧化菌是以甲烷为唯一碳源的微生物,具有其优良的甲烷氧化效能。在中小型填埋场、老旧填埋场及开启集气装置已不再经济的大型填埋场,可在填埋场覆层中掺入甲烷氧化菌,对甲烷进行生物氧化,减少垃圾填埋场的甲烷释放量,从而减少温室效应,达到环保的目的。文章回顾了近些年国内外对甲烷氧化菌及其甲烷氧化效能的相关研究,对甲烷氧化菌的分类及其甲烷氧化机理,影响甲烷氧化菌氧化效能的因素以及甲烷氧化菌在垃圾填埋场中的应用等研究成果进行了总结,并对其今后的研究和应用提出了展望。     

硅质热泉沉积物的结构和微生物成矿成岩机制

热泉沉积物可以提供极端环境下的连续沉积,为认识地球早期生命环境,探索热泉微生物的矿化作用提供支持。现代热泉硅华由生物与非生物作用共同形成,主要沉积矿物为Opal-A,具有针状,柱状和簇丛状等沉积结构。岩石学研究为认识热泉微生物矿化作用奠定了良好基础。对热泉沉积成岩作用中Opal溶解—再沉积过程的认识,也对微生物矿化作用的研究提供了指导。目前,热泉沉积微生物矿化作用研究蓬勃发展,已明确生物矿化作用主要包括生物诱导矿化和生物控制矿化两个过程,但仍有大量生物矿化机制未被阐明。因此,对热泉沉积物形成和转化过程的研究有待进一步的加强。     

甲烷氧化与氨氧化微生物及其耦合功能

甲烷氧化与氨氧化过程分别对控制温室气体甲烷和氧化亚氮方面有着特殊作用,土壤及湿地等环境中的甲烷氧化菌和氨氧化菌在生态系统碳、氮生物循环中扮演着重要的角色。论述了甲烷氧化与氨氧化过程的微生物学机制,甲烷氧化菌和氨氧化菌的群落结构变化,分析了甲烷氧化菌和氨氧化菌在碳、氮循环以及它们在控制重要温室气体排放中的环境功能,阐述了甲烷氧化菌和氨氧化菌的关联作用机制。以期深入揭示甲烷氧化菌与氨氧化菌的空间分异与耦合机制,为深入探讨这类微生物的生态机制和环境功能提供科学线索。     

南海北部冷泉区沉积物中微生物丰度与甲烷浓度变化关系的初步研究

对2006年“海洋四号”在南海北部陆坡和深水冷泉活动区获得的两个重力活塞岩心中微生物丰度变化和甲烷浓度变化的关系进行了初步研究。荧光显微镜观察和直接计数结果表明,研究区冷泉微生物细胞形态有多种类型,但常见和占优势的是杆状、球状和链状。微生物丰度随不同站位和深度变化于106-105细胞个体/g之间。甲烷浓度高异常站位的微生物丰度大于甲烷浓度低的站位。在同一岩心中,微生物的丰度变化也和甲烷浓度变化相吻合,甲烷浓度高,微生物丰度大,反之亦然。该结果表明了冷泉微生物对沉积物中甲烷浓度的增加或减少十分敏感。     

石墨对污泥中厌氧微生物代谢产物及其性能的影响

矿物材料对废水厌氧处理及厌氧污泥改性具有十分重要的作用,而微生物代谢产物是生物处理系统的重要组分,在提高污染物去除率和甲烷产量等方面也起到非常重要的作用。本研究对矿物材料石墨和厌氧微生物共存体系内溶解性微生物产物(soluble microbial product,SMP)和胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)进行了分析表征。结果表明,石墨对EPS和SMP的组成和含量影响显著,主要是由于石墨的吸附作用及其对石墨颗粒的环境毒性所致。红外光谱分析表明,添加石墨体系内SMP与EPS的基团种类并未发生明显改变,但含量有所改变。三维荧光分析结果显示,SMP的主要荧光类物质为色氨酸类似物和腐殖质(辅酶NADH),而EPS的主要荧光类物质为色氨酸类似物和腐殖酸,石墨能明显降低色氨酸类似物及腐殖酸类物质的产生。石墨会减弱微生物的相对疏水性,提高表面自由能,有利于微生物团聚体的形成。     

基于本源菌的褐煤生物气生成过程与可能途径

利用富集培养得到的本源产甲烷菌群对云南昭通褐煤样品进行生物气模拟实验,分析了褐煤生物气生成过程与可能 途径。结果显示,为期130 d 的褐煤生物气生成过程至少经历了两个产气高峰,第一高峰产气率高于第二高峰。本文认为第 一高峰期间生气母质主要为褐煤中的腐殖组分,第二高峰期间类脂组和惰质组的微生物降解程度相对增强。甲烷碳氢同位 素组成显示,模拟生物气主要通过乙酸发酵途径生成。模拟过程中,甲烷浓度和二氧化碳浓度具有相互消长的变化趋势, 甲烷碳同位素组成在模拟后期有变轻趋势,氢同位素则趋于变重,表明模拟过程后期生成的部分甲烷具有二氧化碳还原成因。     

黑龙江林甸地热田热水微生物多样性与群落结构分析

【研究目的】研究地热系统微生物群落组成有助于揭示地热流体地球化学演化和指示热储地球化学环境。已有研究显示,林甸地热田热水还原性强且富含甲烷,但关于微生物在甲烷形成中的作用研究较少。本文旨在分析林甸地热田热水中微生物的群落结构和多样性特征,并揭示其甲烷生成途径。【研究方法】在地热供暖季和非供暖季采集并测试了9个热水微生物样品,并对热水中微生物多样性、群落结构及功能基因进行了分析。【研究结果】属水平上,林甸地热水中优势细菌主要为不动杆菌属(Acinetobacter,>80%),与已有报道的地热系统有一定差异,而同油田热水相似;供暖季和非供暖季热水中细菌多样性差异较大,非供暖季细菌多样性高于供暖季,但古菌多样性基本不受开采影响;优势古菌以广古菌门(Euryarchaeota)产甲烷菌为主,地热流体中的甲烷气体主要源于H₂还原CO₂产甲烷途径,而甲基歧化产甲烷作用和H₂还原甲基化合物产甲烷途径次之。【结论】林甸地热田热水中微生物多样性和群落结构较为独特,与地层中有机质含量较高、地热开采扰动有关。     

海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术

当前国内外海洋天然气水合物勘查和评价发展趋势要求有更多具有精细探测和评价功能的技术,这给地质微生物水合物探测技术的研发和应用提出了需求和挑战。简要介绍了当前水合物成藏或沉积环境研究中所涉及的主要微生物类别及其主要关系,它们绝大多数是适应海底深部低温高压环境的厌氧极端生物。其中重要类群是为天然气提供气源的产甲烷古生菌、参与甲烷厌氧氧化过程的甲烷氧化古生菌和硫酸盐还原细菌。介绍了国内外几个地质微生物探测技术的实例,包括历史悠久的"微生物油气勘探"技术、近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志类别法;另外,对新露头角的微生物生物标志物法等其他方法也给予简要介绍。     

天然气水合物分解及其生态环境效应研究进展

了解大陆／大洋边缘地区天然气水合物形成与分解及其在海底沉积物、水体及海底化学自氧生物群落中的一系列物理、化学及生物作用有助于我们在全球和区域尺度上探讨天然气水合物分解对气候变化的影响;天然气水合物在碳循环中的作用和大陆边缘流体活动与物质交换机制等问题。从水合物分解与全球变暖、贫／缺氧甲烷氧化作用、自生矿物沉淀、化学自养生物群落等方面综述了水合物的环境生态效应研究进展。天然气水合物的形成／分解及 其对海洋乃至全球环境生态变化的影响,深刻地反映了地球上岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间相互联系与相互作用,生物,特别是微生物对全球CH 4的平衡和自生矿物沉淀至关重要。     

生物气CO_2还原途径中碳同位素分馏作用研究及应用

地质历史中,CO2/H2还原产甲烷作用对生物气的形成具有十分重要的意义。中国柴达木盆地第四系生物气主要为CO2/H2还原型生物气。笔者以CO2/H2还原生气理论为指导,进行不同初始碳同位素值和不同赋存状态碳源的生物模拟实验,研究CO2/H2还原产气过程中发生的碳同位素分馏作用。实验结果表明,产物中δ13CH4值与底物的δ13C值呈很好的正相关关系;在反应母质过量的情况下,碳源的赋存状态可以影响产物甲烷的碳同位素组成。以游离形式CO2还原产生的甲烷δ13C值,相对于以HCO3-、CO23-离子形式产生的甲烷δ13C值轻。通过柴达木盆地东部第四系生物气田实例分析,探讨了该区生物气的主要底物CO2的来源及赋存状态,对评价盆地生物气资源和有利勘探区预测有重要的参考价值。     

生命活动中矿化作用的环境响应机制研究

生物矿化作用及其环境响应机制的研究,关键在于研究生命活动制约矿物形成、分解的机理及其环境响应机制,其内容主要包括生物矿化作用的机理、生物矿化作用的环境效应、生物矿化作用的调控理论和方法。可实现的研究目标是从多学科角度发展生物矿化作用的理论,阐明自然界中矿物－生物－重金属/POPs －水之间的相互作用机理与环境响应机制。有望揭示微生物控制重金属矿化的微观机制,提出微生物治理重金属污染原理;揭示半导体矿物－微生物协同作用降解POPs 机制,发展三元体系研究方法;揭示微生物促进多金属矿山硫化物分解机制,提出微生物分解矿物对生态环境影响的调控方法等。以促进地质生物学前沿交叉学科发展,形成未来环境污染防治重大新技术的科学基础。     

加强生物低温热解气的研究和勘探

温度是成油的主要因素,除热作用外,生物作用也是形成天然气的重要因素。微生物活动是在沉积过程中发生最早的活动,它具有体积小、面积大、繁殖速度快的优越体制。微生物的活动范围不限于生物成因气藏分布的1200m的埋藏深度,在深达3000m以内都是非常活跃的。红菌最活跃的温度是4～75℃,一般地温梯度为1.8～3.2℃/100m,至1200m仅为20～30℃。在高于20℃的条件下,甲烷菌的产率随温度上升而提高。一般生油门限的温度为     

海洋沉积物孔隙水硫酸盐的硫、氧同位素组成及其对硫生物地球化学过程的指示

海洋沉积物中由微生物硫酸盐还原作用(MSR)驱动的碳、硫耦合作用及甲烷消耗，是影响全球碳、硫循环和气候变化的关键生物地球化学过程。准确认识微生物硫酸盐还原代谢过程及其环境影响因子，是探究MSR驱动的碳、硫循环及生态环境效应的重要基础。沉积物孔隙水中硫酸盐的硫、氧同位素组成是揭示MSR过程及其驱动的硫循环的重要方法。本文从细胞内代谢途径和胞外硫循环过程角度，厘清影响孔隙水硫酸盐硫、氧同位素组成的硫的生物地球化学过程，阐述其在示踪有机质驱动和甲烷驱动的硫酸盐还原过程类型及“隐秘”硫循环的意义，为探究微生物硫酸盐还原作用在地球表层环境演化中的作用提供新启示。     

辽宁金州寒武系长山组生物丘沉积特征

在辽宁金州寒武系长山组顶部,发育一层厚约15 m的生物丘。宏观上,生物丘主要由凝块石和均一石组成;微观上,由致密泥晶组构和各种类型的颗粒组成。在生物丘内部,各种类型的颗粒如钙化微生物、底栖鲕粒、核形石、生物碎屑和凝块等的发育,显示了生物丘复杂的显微组构。其中,三叶虫碎屑表面的泥晶结壳,表现出建设性和破坏性泥晶化作用。泥晶中分散分布的生物碎屑,反映了生物丘形成过程中泥晶较强的黏聚作用。致密泥晶中大量黄铁矿颗粒的发育,反映了异养细菌活动对泥晶形成的贡献。生物丘内部各种类型的颗粒与黄铁矿颗粒的共生,反映了生物丘形成过程中存在复杂的微生物作用,这为微生物沉积作用的研究提供了基础素材,也为生物丘内部各种类型颗粒的研究提供了重要实例和线索。