海洋产脲酶细菌的筛选及诱导形成碳酸钙矿物的特征

产脲酶细菌普遍存在于自然界,其对碳酸钙的矿化作用被广泛用于工程地质和环境等各项工程领域;本研究旨在从北戴河新河河口海洋沉积物中分离产脲酶细菌,探讨其诱导形成碳酸钙的特征,为地质与工程领域的应用提供良好的材料.从海洋沉积物样品中共分离出33株细菌,经筛选,其中有10株细菌具有产脲酶活性,16S rRNA基因序列分析表明:...     

细菌碳酸酐酶促进形成的碳酸盐矿物

微生物促进碳酸盐矿化机理的研究对于全球碳循环和土壤的形成与演化等科学问题具有重要的意义。为了探究细菌胞外碳酸酐酶（CA）在碳酸盐矿化过程中所起的作用,本文采用硫酸铵析出蛋白质和Tris-H2SO4缓冲液溶解蛋白质的方法提取MF-2菌株分泌的胞外CA,将其添加于一水乙酸钙—胰蛋白胨（不含碳酸根）体系中并进行了120 h的化学实验。同时设置一组不含CA的对照实验。实验结束后用离心法将固相和液相分离。利用X-射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM/EDS）对沉淀物的矿物成分、元素组成和形态进行了研究,利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定了溶液中的Ca2+浓度。实验结果表明:（1）在节杆菌属MF-2菌株胞外CA作用下形成了肉眼可见的沉淀物,其重量随着反应时间的延长而逐渐增大,而溶液中钙离子浓度随着反应时间的延长而逐渐降低。用双氧水（30%）处理的结果显示,碳酸盐矿物是沉淀物的主要组分。对照实验形成的沉淀物明显少于CA实验,而且其主要由有机物质组成。这充分地说明,MF-2菌株胞外CA可以显著地促进碳酸盐矿物沉淀。（2）在有胞外CA参与的实验早期（第48 h之前）,未形成任何结晶态物质;在实验的中后期,形成的矿物以方解石为主,含少量或不含球霰石。这明显不同于MF-2菌株的培养实验。在后一种情况下仅形成球霰石一种矿物。（3）胞外CA作用下形成的矿物形态包括菱面体形、球形和半球形,其中菱面体形矿物占主导地位。这也有别于MF-2菌株的培养实验（以球状和碗状为主）。对多张SEM照片进行的统计结果显示,菱面体形矿物所占比例有随着反应时间的延长而逐渐降低的趋势（即球形和半球形所占比例逐渐升高）,从第48 h的接近100%降低至第120 h的84%。（4）MF-2菌株胞外CA促进碳酸钙沉淀的主要机制是其加速CO2的水化反应,参与反应的CO2可能主要源于空气。      

梭菌SN-1菌株参与下形成的碳酸盐矿物组合及其主要矿物成分的动态变化

在Mg/Ca比值为6的Lagoa Vermelha改良培养基中,对分离自青海湖湖底沉积物的梭菌(Clostridiumsp.)进行了为期100 d的碳酸盐矿物培养实验,同时还完成了一组无菌对照实验。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分别对矿物成分和形态进行了测定和观察。实验结果表明:细菌培养实验的沉淀物数量始终多于无菌对照实验;在梭菌SN-1菌株作用下形成的碳酸盐矿物组合的变化趋势是方解石→方解石+单水碳钙石→单水碳钙石+方解石→单水碳钙石,而无菌对照实验产物中矿物的演化方向是单水碳钙石+方解石→方解石+单水碳钙石;在综合分析SEM和XRD观测结果的基础上,推测哑铃状矿物可能是高镁方解石,而球状矿物可能是单水碳钙石。     

地幔转换带条件下岩石矿物波速测量方法:超声波与多面砧技术的结合

地幔矿物的波速测量研究是认识地球深部物质组成和性质的重要方法.国际上在大压机中利用超声波技术对地幔矿物材料开展了广泛的波速测量研究,实验温压范围达到地幔转换带条件,而国内大压机超声波波速测量局限于6 GPa压力以内.在中国地质大学(武汉)地球深部研究实验室1 000 t Walker型多面砧大压机上,利用超声波技术,建立了一套高压波速测量系统,对地幔转换带矿物Mg₂SiO₄瓦兹利石多晶样品在18 GPa压力范围内的弹性波速进行了测量,测量结果与前人超声波波速测量结果相比总体吻合程度良好.利用多面砧大压机和超声波技术,在国内首次实现了地幔转换带高压条件下的波速测量,缩短了我国高压波速测量水平与国外先进水平的差距,同时可以为中国及周边地区地球物理观测资料的解析提供矿物物理方面的实验约束,为国内岩石矿物和固体材料的弹性研究提供实验技术支持.      

Mg/Ca比对微生物成因的碳酸盐矿物种类和形态的影响

研究Mg/Ca比对生物成因的碳酸盐矿物种类和形态的影响是研究各种含镁方解石形成机理的关键。本文在Mg/Ca摩尔比分别为1、2、4、6和8的条件下进行了为期55d的硫酸盐还原细菌诱导碳酸盐矿物形成的实验,利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了Mg/Ca比对碳酸盐矿物种类和形态的影响。实验结果表明:①Mg/Ca比与矿物的种类之间存在密切的关系。在Mg/Ca摩尔比较低(1和2)时仅形成高镁方解石,在Mg/Ca摩尔比为4时,形成的矿物组合为含镁方解石+高镁方解石,在Mg/Ca摩尔比为6和8时,矿物组合为高镁方解石+单水碳钙石+钙白云石;②Mg/Ca比影响矿物的生长速率。Mg/Ca比越高,晶体生长速率越快;③Mg/Ca比明显影响矿物的形态。随着Mg/Ca比的增大,矿物的形态有如下发展规律:哑铃形→花菜状→光球状→刺球状。这些研究结果将有助于探讨制约含镁碳酸盐矿物种类和形态的机制。     

富集培养条件下湖泊和沿海海域水体硫酸盐还原菌的耐氧性特征

硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria,SRB） 是一类兼性厌氧菌,在湖泊和海洋有机物矿化过程和生物源性黄铁矿 的生成过程中都扮演着重要角色。环境溶解氧浓度对硫酸盐还原过程影响较大,硫酸盐还原菌在水体中的耐氧性是目前的研 究热点。文章采集了象山港和水口水库不同溶解氧水平下的水样,并在相应的溶解氧梯度下进行富集培养,以探讨不同溶解 氧浓度下硫酸盐还原菌的耐氧性特征及硫代谢相关菌的组成。结果显示,在富集培养条件下湖泊和沿海海域中Desulfovibrio （脱硫弧菌属） 和Desulfomicrobium （脱硫微菌属） 为主要硫酸盐还原细菌,而Shewanella （希瓦氏菌属） 和Sulfurospirillum （硫小螺体属） 为其硫代谢相关菌。Desulfovibrio的相对丰度与溶解氧水平密切相关,随溶解氧浓度的减少,其相对丰度增加。 SRB 的耐氧上限为6.68 mg/L,明显高于以往纯培养或共培养的耐氧上限值。作者推测这不仅与其高氧环境的适应策略有关, 还可能得益于共存菌的贡献,后者可能通过消耗环境中的氧为Desulfovibrio提供生态位,提高其耐氧水平。     

碳酸钙颗粒的细菌诱导形成

为研究胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）在特定条件下能否诱导合成碳酸钙,作者采用胶质芽孢杆菌两种常用 基本培养基（有氮培养基和无氮培养基）,以磷灰石矿物为钙源,进行了利用胶质芽孢杆菌促进碳酸钙形成的实验,借助扫 描电镜（SEM）、能谱定量分析（EDS）和X-射线衍射（XRD）等手段观察分析形成碳酸钙的晶体结构和化学组成。结果表 明,胶质芽孢杆菌能促进碳酸钙晶体的形成,在有氮加磷矿粉的细菌培养液中形成的碳酸钙多于无氮加磷矿粉的细菌培养 液,在有氮加磷矿粉的细菌培养液中观察到柱状碳酸钙的形成。作者认为,胶质芽孢杆菌通过其风化作用及较强的吸附功能, 利用其分泌的碳酸酐酶（CA）和溶解CO2在分解磷灰石的过程中促进了碳酸钙的形成。     

墨西哥湾GC238区冷泉碳酸盐岩的微结构与石化微生物特征

采于墨西哥湾GC238海底天然气渗漏区浅表层的冷泉碳酸盐岩呈结核状产出,由方解石微晶和胶结物及少量的黄铁矿构成。胶结物由直径为0.1～0.5m的方解石化的球体、卵形体、棒状体组成,充填于方解石晶体之间。冷泉碳酸盐岩结核下表面发育有由方解石化的球体、卵形体、棒状体组成的薄层,其中的一些球状集合体(约5m)断面显示发育有核和外壳的层圈结构。黄铁矿呈草莓状,也具有相似的层圈结构。这种层状结构与活体古细菌被硫酸盐还原细菌包裹的层圈结构相似。样品中所保存的球体、卵形体、棒状体及其所组成的层圈结构可能是石化的甲烷氧化古细菌和硫酸盐还原细菌。     

硫酸盐还原菌及异化铁还原菌对 黄钾铁矾还原作用的对比

选取酸性矿坑水环境中常见的次生含铁硫酸盐矿物———黄钾铁矾[KFe3(SO4)2(OH)6]为研究对象,用硫酸盐还原菌 Desulfovibriovulgaris 和异化铁还原菌Shewanellaputrefaciens CN32对其进行还原实验,探讨作为重金属治理潜在材料的 黄钾铁矾的微生物稳定性.实验采用非增长型培养基,在中性、厌氧、30℃的条件下进行.采用湿化学方法测量水溶液及还原产 生的总Fe2+ ,利用X射线衍射(X-raydiffraction,简称XRD)来分析反应后残余固体物质的矿物组成,用扫描电镜(scanning electronicmicroscopy,简称SEM)观察固体残余物的形貌特征.结果表明,没有微生物的参与,黄钾铁矾的稳定性较好.异化铁 还原菌S.putrefaciens CN32和硫酸还原菌D .vulgaris 在营养极其匮乏的中性厌氧条件下均能还原黄钾铁矾晶格中的 Fe3+ ,显示出黄钾铁矾被微生物还原的可能性.S.putrefaciens CN32还原黄钾铁矾晶格中Fe3+ 的最大还原速率和最终Fe3+ 还原率分别为0.001mmol·L-1·h-1和0.37%.与S.putrefaciens CN32不同,D .vulgaris 对黄钾铁矾的还原能力较强,不 含有电子穿梭体(Anthraquinone-2,6-disulfonate,简称AQDS)的实验体系中Fe3+ 的最大还原速率和最终Fe3+ 还原率分别为 0.017mmol·L-1·h-1和16.80%,而添加了AQDS的实验体系的则分别达到了0.026mmol·L-1·h-1和24.30%,这可能与 黄钾铁矾中含有SO42- 有关.D .vulgaris 优先还原黄钾铁矾晶格中的SO42- 产生的H2S是强还原剂,也可促进Fe3+ 的还原, 微生物以及H2S的双重作用可能是导致D .vulgaris 体系中Fe3+ 还原率较高的原因.XRD分析表明,黄钾铁矾经过S.putrefaciens CN32的作用,物相没有发生变化;而经过D .vulgaris 作用后,黄钾铁矾的特征峰消失,固相残余物中出现了菱铁 矿(FeCO3)、蓝铁矿[Fe3(PO4)2·8H2O]等次生矿物.由于培养基中没有添加任何的磷酸盐,因此蓝铁矿的出现可能是由于培 养基中添加的少量酵母浸膏降解后产生的磷酸根与D .vulgaris 还原黄钾铁矾产生的Fe2+ 相互作用的结果.这些认识对深入 理解地球表层铁的生物地球化学循环具有重要意义,为矿山环境重金属的污染治理提供了实验依据.      

硫介导细菌还原载砷铁矿对砷迁移转化的影响

硫在铁和砷的生物地球化学循环中发挥着重要作用,但地下水系统中硫循环的中间产物S(0)对细菌转化铁和砷的影响尚不清楚.采用室内模拟实验,研究硫参与下细菌D2201对液相和载砷针铁矿中Fe(Ⅲ)和As(Ⅴ)的还原作用.结果表明:细菌D2201具有很强的铁还原能力,可以将液相中74％的Fe(Ⅲ)还原;加入硫后,细菌还原S(0...     

南方湿热区产脲酶菌固化海砂的碳酸钙结晶效果研究

从南方湿热区自然环境中分离得到一株产脲酶矿化菌,并将其高产突变株应用到海砂室内MICP灌浆试验,结合扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、拉曼（Raman）对固化后的产物进行细观形貌观测。通过分析碳酸钙的形貌、尺寸、空间分布、结晶状态等基本特征现象,初步探究南方湿热区产脲酶菌在碳酸钙结晶生长方面的调控作用及其固化土体的作用效果。结果表明：南方湿热区产脲酶菌固化土体具有可行性,但碳酸钙晶体形貌并不均一,晶体晶化过程、生物调控作用及土体结构均会对碳酸钙的生成情况造成影响;碳酸钙从无序到有序、分散到聚集、不稳定到稳定,最终生长聚集为完整的结构,在生长空间充足的环境下,碳酸钙更倾向于形成聚集体。研究结论可为进一步研究不同产脲酶菌诱导碳酸钙沉淀的作用过程与调控机制提供借鉴与参考。     

异养细菌作用下岩溶水体惰性有机碳变化及其环境影响因素分析

惰性有机碳(RDOC, Recalcitrant Dissolved Organic Carbon)作为难以被生物降解的有机碳, 可以在水体中保存数千年, 构成长期碳储。岩溶区浮游植物利用岩溶水中丰富的HCO– 3进行光合作用, 为异养细菌生长提供充足的有机质底物, 促进异养细菌代谢, 形成RDOC。本文以广西柳江为例, 通过δ14C示踪法、荧光实时定量PCR法、原位微生物法对流域内细菌基因丰度、RDOC浓度等进行培养和测试, 结合环境因子对流域内RDOC的变化趋势进行分析讨论。研究区RDOC浓度介于1.46~2.66 mg·L–1之间, 平均1.85 mg·L–1, 占DOC的48.16%~92.61%, 平均占65.83%, 表现出明显的时空变化特征: 平水期水温升高、水体浊度降低, 浮游生物初级生产力增加, 产生较多内源有机碳, 为异养细菌提供充足的有机质底物, 细菌丰度和初级生产力增加, RDOC浓度明显高于丰水期, 主要受流域内异养细菌生物效应影响; RDOC浓度在水库坝后明显减小, 该采样点较缓的流速使有机质和生物聚合物更易沉降, 进而留存在水体中的DOC及RDOC减少, 主要受水动力条件控制。研究结果表明流域内RDOC受生物效应和水体理化性质共同影响, 异养细菌是流域内RDOC的主要贡献者, 同时浮游生物产生的内源有机碳对RDOC形成有促进作用。     

牙轮钻头动静耦合碎岩机理及旋挖成桩应用

总结了在不同高温状态下冷却、不同加载速率及随机裂隙发育状态下花岗岩动态抗拉力学特性的变化规律;结合牙轮钻头孔底碎岩过程,分析了动静载荷耦合作用下岩石破碎的载荷一侵深特性曲线,认为动、静载荷耦合作用的加载点（即动载的施加点）应是在静载处于卸载阶段;并根据加载能量大小讨论了不同动静耦合工况下产生的岩石破裂深度及破碎体积,表明通过一定范围内增大静载荷及冲击力、预加静压对岩石进行预应力损伤、加载一卸载一加载的破碎循环模式,有利于高效碎岩及裂纹的发育。嵌岩桩基础工程实践表明,通过改造牙轮钻头等钻具结构形式及布齿方式,利用动静耦合加载方式及对钻头冷却处理,可实现牙轮钻头在微风化花岗岩高效钻进的目的,为牙轮钻头的旋挖钻进成桩应用提供了重要的技术支撑。