趋磁细菌多样性及其环境意义

趋磁细菌是一类特殊的微生物,它们在体内合成有生物膜包裹、粒度均一(35 ～ 120 nm)、结晶程度高、晶形特殊、呈链状排列的磁小体,其化学成分主要是磁铁矿( Fe3O4)或胶黄铁矿(Fe3S4),因此,它们能沿地磁场磁力线定向游弋.研究表明,趋磁细菌广泛分布在淡水和海洋环境中,细胞数量可达105～ 107个/ml,其多样性和地理分布与环境有密切关系.磁小体在趋磁细菌死后可以保存在沉积物中,化石磁小体对沉积物磁学性质有重要贡献,而且趋磁细菌活动在全球铁元素循环和维持生态系统功能等方面发挥重要作用.本文综述了近年来趋磁细菌多样性、地理分布格局、环境磁学以及古环境重建等方面的研究进展.值得指出的是,化石磁小体可作为重构古环境的生物标志物,应予以重视.     

沉积物中趋磁细菌趋磁性优势的实验研究

趋磁细菌依靠其体内生物合成的磁小体颗粒沿地球磁场定向排列和游动,称为趋磁性。沿磁场的定向排列被认为可以使磁菌更有效地到达最佳生存环境,即趋磁性对磁菌的优势所在。目前对趋磁性优势的研究大多数集中在水环境或培养液环境下,而对于自然沉积物中趋磁性优势的理解还停留在假说阶段。越来越多的研究显示,磁菌在沉积物中的行为方式与水环境中所观测到的现象差别很大,因此,对趋磁性优势的研究也需要在沉积物环境中进行。本文我们通过对比在地磁场、近零磁场和反转磁场条件下两种磁菌:球菌和杆菌(Candidatus Magnetobacterium bavaricum)的时空变化,揭示在沉积物中趋磁性对趋磁细菌的作用。结果显示趋磁性对两种磁菌存在不同的作用,M.bavaricum在近零磁场条件下数量明显下降而在地磁场下又重新恢复,说明趋磁性优势对M.bavaricum的积极作用,然而球菌在近零磁磁场条件下的数量和分布与地磁场条件下相似,可能说明球菌在利用趋化性和行为方式上与M.bavaricum有很大不同。M.bavaricum在反转磁场条件下数量减少,而球菌则接近消失,说明球菌受极向趋磁性的影响比M.bavaricum大。两种磁菌因受沉积物环境和自身趋化性的影响在趋磁性上表现不同,可能M.bavaricum存在不同的趋磁性特点。本文实验结果说明对趋磁性的理解需要立足于复杂的沉积物环境。     

纳米磁铁矿链的仿生合成及其生物矿化意义

本文在不使用任何蛋白质或生物分子的情况下,以四方针铁矿和二价铁离子为铁源仿生合成磁铁矿纳米颗粒。实验 结果表明,在弱碱性条件下,合成的磁铁矿颗粒为35 nm左右的近似立方体,而且这些颗粒能够自发的定向排列,形成类 似趋磁细菌体内的磁小体链状结构。作者认为,由于磁铁矿晶体存在着固有的磁偶极,晶体之间的磁偶极作用力驱动着磁 铁矿颗粒自发组装成定向排列的链状结构。这就揭示了在趋磁细菌体内磁小体的矿化及组装链形成过程中,除了生物蛋白 影响外,磁小体颗粒之间的磁偶极吸引作用也可能是一个重要因素。生物蛋白和晶体化学因素可能在趋磁细菌体内生物矿 化过程中协同起作用。     

北京莲花池趋磁细菌的群落多样性研究

趋磁细菌是一类在细胞内合成磁铁矿(Fe_3O_4)或胶黄铁矿(Fe_3S_4)磁小体的微生物,广泛分布在水环境和沉积环境,在铁、硫、碳、氮、磷等元素的生物地球化学循环中发挥重要作用.趋磁细菌培养条件苛刻,目前对环境趋磁细菌的多样性和生理代谢特征等还有待系统深入的研究.本研究综合利用电子显微镜、能谱分析和分子生态学等技术方法,对北京地区莲花池沉积物中趋磁细菌的形态多样性、细胞元素分布特征和系统发育多样性等进行了系统分析.光学显微镜观察和电子显微镜分析显示莲花池中存在大量趋磁细菌(～10~3～10~4细胞/mL),从形态上主要分为球形和弧形两种,在细胞内富含铁、硫、镁等元素.基于16S rRNA基因的系统发育研究共发现了7个新类群,分别属于(Proteobacteria)中的α-变形菌纲和γ-变形菌纲,其中属于α-变形菌纲的5个类群与已知趋磁细菌序列最相似(≥91%).本研究结果有助于更好地认识自然界趋磁细菌的群落多样性和地质环境功能.     

西安未央湖趋磁细菌多样性与磁学研究

对西安郊区未央湖趋磁细菌的生物多样性和磁学性质进行了系统研究.光学和透射电子显微镜分析发现,未央湖趋磁细菌主要为杆菌,它们的磁小体多为子弹头形状并呈链状排列;磁学分析表明这些磁小体颗粒以单畴磁铁矿为主;并发现一类同时含有磁铁矿和胶黄铁矿磁小体的趋磁杆菌.基于16S rRNA基因的系统发育分析发现,未央湖趋磁细菌主要分布在变形菌门的δ-变形菌纲(75％)和α-变形菌纲(25％).本研究结果还有助于为利用趋磁细菌群落指示环境变化提供依据.     

趋磁细菌和磁小体在地质体中的分布及其研究意义

本文介绍了趋磁细菌的生长条件和磁小体的合成条件,趋磁细菌与磁小体在地质体中的分布及其特征。讨论了磁小体对沉积物磁性的影响,并指出沉积物中的磁小体不仅可为研究古环境,古地磁提供有意义的信息,而且由于磁小体在成分,形态,大小等方面的特征,有望在生物医学,高级电子等领域有较好的应用前景。     

广东湛江泥炭层中趋磁细菌的发现

在研究黄土剖面中有机物质（含微生物）与黄土层磁化率关系时,发现黄土层,特别是所夹古土壤层中存在含磁小体的趋磁细菌,古土壤层中趋磁细菌及磁小体含量均高于相邻的黄土层。磁小体形成和铁源关系测试结果揭示了趋磁细菌的生长与有机盐有关,较低浓度的有机铁更有利于趋磁细菌的生长和磁小体的形成。从某种意义上说有机盐反映地面有机质含量,从而表明大量磁小体形成不是在古土壤最发育时期,也不是在快速黄土堆积时期,而是在气候转变的特定环境,即经过古土壤发育期的长期风化侵蚀,粘土矿物含量增高,与上覆的黄土堆积物组合成微氧环…     

中国黄土剖面趋磁细菌的组成特征与生态意义

选择中国的黄土-古土壤序列的超磁细菌作为研究对象，以透射电镜、扫描电镜、生化实验和有机地球化学方法先后研究了从黄土地区陕西段家坡、甘肃西峰以及陕西洛川富集的趋磁细菌，结果表明，虽然趋磁细菌在黄土和古土壤层的形态有所差异，但它们均由细胞膜、细胞质和沿长轴排列的磁小体与气泡组成，在适宜的条件下它能生长出较多的磁小体。磁小体由氧化铁组成，并可从体内排出，使环境中部分Fe^2 转变为Fe^3 ，促使地层磁化率增高，尤其在古土壤层段，中国黄土剖面中趋磁细菌的产量是地表温度、湿度、pH、铁含量的函数，与湖沼中的趋磁菌相比，它在菌体形态、磁小体的数量与排列方式上有很大差距，因而中国西北黄土地区的趋磁细菌是典型的生态物种。     

生物矿物材料及仿生材料工程

生物通过有机模板的作用，使无机晶体的结晶成核、形貌和晶体学定向受到严格的控制，从而形成性能优异的有机－无机复合材料（如骨和珍珠层）或纳米晶体材料（如趋磁细菌中的磁小体）等。通过对生物矿化的研究，认识到有机分子可以改变无机晶休的生长形貌和结构，因而提供了强大的工具用来设计和制造新的材料。目前已成功仿生合成了纳米晶体材料、仿生薄膜及薄膜涂层材料、中孔分子筛材料等。     

趋磁细菌——生物地球化学作用的范例

趋磁细菌(MB)属变形菌纲,为简单的原核细胞.它的最大特征是体内长有磁小体(MSs),沿地磁线运动.MSs由膜及其内部的无机矿物或铁素(含铁蛋白质)组成,无机矿物有铁的氧化物系列或铁的硫化物系列,它们是MB的代谢产物,也是最早发现的有机界面生物矿化作用的范例.文章在广泛调查的基础上,选择源于黄土剖面S0,S1和S5古土壤层中的MB为研究重点,对它们进行了形态与生理生化特征的观察与检测,生命元素和生命小分子脂肪酸的色质谱与能谱测定,并在没有添加营养和铁源的条件下,开展了MSs的生长特点及它对环境磁性影响的模拟实验.黄土中的MB以杆状为主,杆状的长与宽之比随温度的降低而变大.MSs中的矿物为铁的氧化物系列,在较低温度并有一定温度差(8～18℃)的情况下生长较好.菌体老化后菌膜发生自溶,MSs脱落到体外,可能成为沉积物中细粒磁性物质的重要组分.因此它们在古地磁与古气候记录上具有重要的意义.通过对不同级别生物分子的了解与测试,MSs的矿物成分与形成机理研究,以及MSs中磁铁矿的铁和氧同位素测定,可进一步认识MB在沉积物中的生物地球化学作用.     

黄土剖面中趋磁细菌及其磁小体的初步研究

从中国西安市附近段家坡黄土剖面分离到微好氧性的趋磁细菌，经透射电子显微镜Ｈ－７０００ＦＡ和Ｈ－６００ＳＥＭ／ＥＤＡＸ－ＰＶ９１００型分析，黄土层（Ｌ１）中仅发现弧形菌，数量少，每个菌体含２个磁小体；古土壤层（Ｓ０和Ｓｉ）含有大量杆状菌，每个菌体有１５个以上的磁小体，沿细菌长轴呈两排链状排列，且具有向南磁极游动的习性，Ｘ射线能谱分析表明，磁小体中具有高丰度的Ｆｅ和Ｃｏ。趋磁细菌中磁小体的数量在古土壤     

德国Chiemsee湖磁性细菌干湖泥的磁学性质

对经历过实验室磁性细菌培养的Chiemsee湖的4块干湖泥样品进行了磁学参数、粒度和XRD测量,结果表明样品中的主要磁性矿物以磁铁矿为主,并含有少量的硫铁矿.培养深度1～ 2cn处的样品在磁化率、百分比频率磁化率、无磁滞剩磁、饱和磁化强度和矫顽力等磁学特征上表现出和其余样品差别较大,分析认为这种差异可能是由于该层位的样品受到较多的磁性细菌产生的磁小体影响所致.样品的低温饱和剩磁测量表明样品中除了单畴(SD)磁铁矿之外,还存在多畴(MD)磁铁矿颗粒,利用粒度频率分布曲线对沉积物的来源进行了分析,表明Chiemsee湖的沉积物可能主要是沉积在湖泊周围的一些风积物在地表水流作用下,与一些粗粒级沙粒一并进入湖泊所形成,样品中的粗粒多畴磁铁矿可能是这些沉积物所携带的,与后期的磁性细菌关系不大.因此,沉积物中的磁学信号除了磁性细菌产生的磁小体的贡献以外,其他物源沉积物的贡献显然也是不可忽略的重要因素.     

浙江舟山海岸带古木埋藏区铁的微生物成矿作用

以浙江舟山海岸带铁矿石为研究对象, 通过对铁矿石及其周围环境背景样品的形态学显微观察、矿物学及地球化学分析, 结果显示渗漏水沉淀铁泥中存在大量形貌与Leptothrix ochracea和Gallionella ferruginea中性铁氧化菌极为相似的微生物鞘, 该微生物可促进Fe2+的氧化和Fe3+的快速沉淀, 并且细胞最终被完全矿化后将永久保存起来.与此相对应的是: 在铁矿石内部存在大量的似球形和丝杆状的针铁矿, 并且还保留了死亡的铁细菌外鞘, 这些特征揭示该铁矿石与微生物历史活动密切相关.将现代渗漏水铁泥中铁细菌的矿化作用和铁矿石中保留的微生物活动记录相对比, 为该环境下的铁矿石生物成矿作用及其成因机制提供了良好的佐证.铁矿石的形成与古木堆积密切相关, 古木埋藏腐烂过程产生的腐植酸加剧了基岩及其周围土壤中的铁淋滤进入到潮间带, 从而为铁矿石形成提供充足的铁来源.该研究有助于更好理解和认识地史时期腐植质及微生物在铁矿床形成中的作用.      

铁还原细菌矿化产物及其对铁建造沉积的指示意义

铁还原细菌是微生物诱导矿化的典范之一,它可以利用有机质或氢气作为电子供体还原三价铁,并在细胞外矿化形成多种含铁矿物,比如磁铁矿、菱铁矿、蓝铁矿和绿锈等矿物,从而广泛参与自然界中铁元素的生物地球化学循环过程。本文主要介绍铁还原细菌矿化产物的矿物特征、形成条件和影响因素。此外,通过实验室内建立严格厌氧的环境体系,以与微量元素共沉淀的水合氧化铁为底物,本研究分别利用Fe_ap²⁺和铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4合成非生物成因和生物成因的磁铁矿,结果发现微量元素的存在会改变磁铁矿的形貌和粒径。结合前人提出的微生物可能参与铁建造沉积的过程,本文评估了微量元素作为识别矿物成因指标的有效性,探讨铁还原细菌矿化产物对铁建造沉积的潜在贡献。     

油气田微磁异常成因及性质研究的近期进展

微磁测量是80年代出现的一种成功的非常规油气勘探方法,它所检测的是与油气渗漏相关的次生磁性矿化作用。近期的大量研究表明,油气田上方的微磁乒常具有复杂多样的成因:(1)从烃类获得代谢能的硫酸盐还原茵的作用;(2)烃类的微生物降解作用;(3)硫化环境中形成的磁黄铁矿;(4)泥质岩中富铁粘土的自生菱铁矿化;(5)与油气源岩露头或油气藏渗漏有关的自燃变质带。此外,烃类在陆相红层中的磁效应可以受到赤铁矿溶离的干扰,使其磁化强度出现数量级的下降。     

古地磁场研究:挑战与机遇

地磁场源于地核流体的运动,至少已有约35亿年历史。地磁场的起源及演化一直是地球科学研究的前沿领域之一,这是因为它既是地球宜居环境的重要保障,也是探究地球系统各圈层联系的重要途径。本文重点围绕保留在岩石中的"深时"古地磁场记录,分析在地球内部磁场的形成与维持、地磁场极性倒转、以及地磁场强度变化等古地磁场研究三个方面的主要进展及面临的挑战。同时,结合古地磁测试技术的革新,磁发电机实验和超算模拟的应用,生物磁学的发展,阐述古地磁与地质学多学科交叉研究有望在揭示古地磁场变化及其对生物演化方面的贡献。对古地磁场变化的研究不仅有助于理解地磁场的起源与演化规律,也对认识地球的早期演化,甚至其它行星的演化有重要意义。     

西峰和段家坡剖面S5-1层段磁性矿物的成分与组合特征

从西峰和段家坡黄土剖面S5-1层段中分选出<30μm粒级、磁性相对最强的组分(分别为XS-4J和DS-4J),先后进行了MPV-3光学显微镜的观察与反射率测定、矿物的扫描电镜能谱测定和X射线衍射物相分析.两个样品的磁性矿物均以风尘碎屑状的钛铁氧化物为主.XS-4J样矿物的反射率和Fe的含量都普遍较高,磁性矿物除磁(赤)铁矿、赤铁矿外还见有含铁高的氧化物(Fe 72.20%～86.70%,质量分数)和含Cr、Ni的钛铁晶石或钛铁矿.DS-4J样的磁性矿物中Fe与Ti元素呈明显的负线性相关关系,Si、Al、Ca的含量较高,矿物以磁(赤)铁矿、赤铁矿、针铁矿和褐铁矿为主,并明显见有磁性矿物被溶蚀和新生的磁(赤)铁矿.磁性矿物成分与组合特征的差异反映了西峰与段家坡S5-1岩石中磁性矿物的物质来源与保存条件有较明显的差异.     

地球系统中生物成因硫化物矿物:类型、形成机制及其与生命起源的关系

作为生物矿物一种十分重要的类型,生物成因硫化物矿物形成于多种海水和淡水环境中.它们是自然界硫和金属元素循环中的关键一环,并有可能在地球早期生命起源中扮演了重要的角色.现代环境中形成的生物成因硫化物矿物与多种生命过程有着十分密切的联系,微生物和大型生物均可直接或间接地影响生物成因硫化物矿物的形成.重点从生物成因硫化物矿物类型、参与生物矿化的有机体、生物成因硫化物矿物形成机制以及硫化物矿物与生命起源的关系等几个方面综述了生物成因硫化物矿物研究的最新进展.     

灌注桩中钢筋笼磁异常特征研究

灌注桩中钢筋笼由主筋、加劲筋和箍筋组成。钢筋笼长度随桩长变化,单根钢筋的长度是一定的,为了满足长桩的需要,钢筋笼常常由一节或多节焊接而成。灌注桩中的钢筋笼是一磁性体,在地磁场磁化作用下,在其周围空间分布有磁异常。钢筋笼是一个规则磁性体,本文由重磁位场的泊松公式出发,推导出钢筋笼磁异常表达式,研究了灌注桩中钢筋笼磁异常分布特征。     

利用异常平面图和岩矿心标本测定结果确定磁化强度矢量的方法

众所周知,在磁异常的推断解释和正演计算中,常常需要确定磁性体的磁化强度矢量,也就是确定其磁化强度的大小、倾角和偏角.磁化强度矢量主要是由磁性体的感应磁化强度矢量及剩余磁化强度矢量决定的.当感磁大于剩磁,二者方向一致,但磁性均不强,而且不考虑退磁影响时,磁性体磁化强度的大小将为感磁与剩磁之和,其方向也就是地磁场的方向.但在实际工作中常遇到强磁性的地质体,其剩磁大于感磁,方向不一致,此时磁性体的磁化强度矢量主要取决于剩磁矢量.要