微生物对沉积的作用

1、地地质质微生物对沉积的作用微生物对沉积的作用殷鸿福、殷鸿福、谢树成、谢树成、王红梅、王红梅、陈中強、陈中強、赵小明赵小明、刘邓、刘邓、邱轩邱轩(中国地质大学，武汉，中国地质大学，武汉，生物地质与环境地质国家重点实验室生物地质与环境地质国家重点实验室)2016.3.27提纲提纲前寒武纪前寒武纪微生物对沉积的作用微生物对沉积的作用前寒武纪微生物对条带状含铁建造 (BIF)的作用2. 微生物在形成原生白云岩中的作用前寒武纪BIF和白云岩分布与微生 物和海洋化学的关系二二. .显生宙显生宙微生物对沉积的作用微生物对沉积的作用三三. . 结语结语表壳岩石在地史中的相对丰度 Ronov et al, 19

2、71,修改 1.1.条带状含铁建造条带状含铁建造(BIF)(BIF)的的地史分布地史分布 条带状含铁建造（BIF）是指铁含量15%的薄层、纹层状赤铁矿或磁铁矿与SiO2(石英、燧石)互层。其铁矿储量约占全球铁矿总储量80%，是最重要的铁矿石。Holland, 2006 BIF最早出现在38亿年左右（格陵兰的Isua Belt），集中分布于35-18亿年，高峰在28亿年前后，在18亿年前后BIF急剧减少并很快消失。在7.55-5.5亿年时，又出现仅存的几个BIF。BIF1.2. 1.2. 前寒武纪的微生物前寒武纪的微生物与与BIFBIFBIF形成的三种可能情况不产氧光合铁氧化菌(Bekker e

3、t al., 2010)低氧条件下的微好氧菌紫外光介导的非生物氧化, 现不大认可BIF早太古代早太古代无氧条件无氧条件蓝细菌产氧光合作蓝细菌产氧光合作用后用后1.2. 1.2. 前寒武纪的微生物前寒武纪的微生物与与BIFBIF早太古代无氧条件：当时是富Fe2+海洋,富CO2+H2大气。多数人认为BIF是厌氧光合铁氧化菌对二价铁(Fe2+)的氧化作用产物。38亿年前，己存在BIF的代谢合成。 4Fe2+CO2+4H+光CH2O+4Fe3+H2O29亿年开始蓝细菌产氧光合作用后: 在近中性低氧条件下，微好氧菌、硝酸盐还原菌可通过酶促反应氧化Fe2+以获得能量促进生长。 4Fe2+O2+10H2O4

4、Fe(OH)3+8H+ 4Fe2+2NO2-+6H+4Fe3+N2O+3H2O在2025的温度下，微生物氧化Fe2+的速率最高，随着温度上下波动，Fe2+的氧化速率降低，而非生物硅沉淀速率升高，从而形成了BIF硅铁互层。BIF不产氧光合铁氧化菌与不产氧光合铁氧化菌与BIFBIF关系示例关系示例美国美国AnimikieAnimikie盆地盆地BIF, 1.9GaBIF, 1.9Ga 正的正的Ce异常及异常及铁同位素反映低氧铁同位素反映低氧水体中的二价铁的水体中的二价铁的部分氧化，是此类部分氧化，是此类细菌的典型环境细菌的典型环境附着在氢氧化铁颗粒上的附着在氢氧化铁颗粒上的不产氧光合铁氧化菌菌丝不

5、产氧光合铁氧化菌菌丝体体Planavski et al.,20091.3. 1.3. 前寒武纪的前寒武纪的其它其它微生物微生物 营甲烷厌氧氧化(AOM)的甲烷古菌(ANME)和产生H2S的硫酸盐还原菌(SRB)在35亿年左右均已出现。随着海洋中各种含氧化合物如硫酸盐等的聚集，BSR过程逐渐加强，在18亿年左右海水表面以下的陆缘海洋变为硫化而非铁化，这对BIF消失是一决定因素。BIF2.2.微生物在形成原生白云岩中的作用微生物在形成原生白云岩中的作用2.1.2.1.白云岩的地史分布 最早的沉积白云岩见于29亿年前,但近来认为 Isua Belt(38亿年)就有微生物介导的白云岩。它是前寒武系主要

6、沉积类型之一,于元古宙极盛，超过石灰岩，且可能为原生；显生宙产出少于石灰岩 。前寒武纪沉积岩中白云石的相对百分含量显生宙碳酸盐岩中白云石的相对百分含量2.2.微生物在形成原生白云岩中的作用 白云岩在当代稀少且多为成岩作用产物，由于硫酸根与钙、镁的结合形成白云石CaMg(CO3)2 的动力学障碍，当代海洋一般不直接沉积白云岩,实验室在常温常压下亦不能沉淀白云石，这便成为白云岩问题。是微生物作用解决了白云岩问题。 蓝细菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌、嗜盐古菌和细菌的活动消耗硫酸根离子，使抑制白云石成核作用的硫酸盐浓度降低，周围水体pH上升，形成碱性的微环境，有利于碳酸钙、镁达到饱和而沉淀。 元古代硫酸

7、根离子浓度低，故白云岩发育； 嗜盐古菌在环境盐度升高时可以提高其表面羧基的含量,与镁离子结合, 使之可进入钙镁碳酸盐矿物晶格。所以这些微生物作用在盐碱环境中表现更为突出。 实验条件下微生物成因白云石案例邱轩，20142.3.2.3.硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌诱诱导形成白云岩的实验导形成白云岩的实验 负电荷的微生物细胞壁、 荚膜(capsule)以及EPS(胞外 分泌物)均能提供碳酸钙、 镁晶核位点(globules). 微生物分泌的有机酸对溶液中钙离子的亲和力要比镁离子强，能增加溶液中的Mg2+Ca2+有利于白云石的形成。 硫酸盐 还原菌 C2H3O2- + SO42- HS- + 2 HCO3

8、-在以上作用诱导下，在实验室成功沉淀了原生白云石( Bontognali et al., 2008)Desulfovibrio brasiliensis (SRB) EPSEPS富镁方解石硫酸盐还原菌nanoglobulesEPSEPS形成带负离子有机体吸附钙镁正离子EPS上的微球粒成为晶核位点 2.3.硫酸盐还原菌诱诱导形成白云石的实验 在硫酸盐还原菌及其EPS、微球粒诱导下富镁方解石的形成5 m1 m10 m20 m2.3.2.3.硫酸盐还原菌诱导白云石诱导白云石的形成及其的形成及其形态形态絲状体上的微球粒成为碳酸钙、镁的晶核位点在晶核位点上形成原始的白云石沉淀白云石晶体逐渐长大最后形成微

9、生物诱导的白云石晶形2.3. 野外野外找到找到了了硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌诱导诱导形成的形成的白云石的化石白云石的化石形态形态 微生物诱导白云石的特征形态或其印模； 保存为化石的胞外分泌物EPS或絲状体；20 m巴西巴西Lagoa Vermelha实验室形态絲状体EPS2.4.2.4.嗜盐古菌嗜盐古菌诱诱导形成白云岩的实验导形成白云岩的实验嗜盐古菌细胞切片嗜盐古菌细胞切片TEMTEM图图a,b：盐度为120的样品;c,d：盐度为200的样品;e,f：盐度为280的样品;g,h：盐度为360的样品;对内蒙古等地系列盐湖(有少量白云石沉淀)进行了调查和研究邱轩，2014发现嗜盐古菌能够沉淀白云石2

10、00280360不同盐度下不同盐度下嗜盐古菌沉淀的白云石具有不同形态古菌沉淀的白云石具有不同形态邱轩，2014200，Mg/Ca=10280，Mg/Ca=10280，Mg/Ca=10280，Mg/Ca=10280，Mg/Ca=10280，Mg/Ca=10TEM/SAEDTEM/SAED/EDS/EDS结果结果Ra : Rb =1:1Mg : Ca1:1ab =120o1)Mg/Ca =12)晶轴夹角 120度3) a轴与b轴 轴长比1三方面证据：邱轩，2014嗜盐古菌嗜盐古菌 H. volcaniiH. volcanii成功诱导成功诱导形成白云石形成白云石 为什么嗜盐古菌能诱导形成白云石？1.

11、白云石CaMg(CO3)2的矿物晶格是镁离子层与钙离子层呈互层排列碳酸钙镁矿物碳酸钙镁矿物晶格中镁、钙晶格中镁、钙离子的相对比离子的相对比例和排列状况例和排列状况镁离子比钙离子更难以进入碳酸钙镁矿物晶格。因为镁、钙离子与水分子结合形成的阳离子水合物中，水合镁离子较水合钙离子更为稳定，导致镁离子较难去水化, 因而不易进入矿物晶格。为什么嗜盐古菌能诱导形成白云石？有机质表面羧基-COOH含量嗜盐古菌细胞表面的羧基官能团能够使水溶碳酸镁分子MgCO3(aq)和水溶碳酸钙分子CaCO3(aq)的生成焓趋近，有利于MgCO3(aq)和CaCO3(aq)以1:1的比例进入碳酸盐晶格，促进镁、钙离子的有序排

12、布，从而形成白云石。3. 培养实验发现微生物有机质表面羧基密度偏高 的样品都能诱导白云石的形成（下表)。邱轩，2014(Lasic D., 1995)嗜盐古菌表层电镜图嗜盐古菌表层结构图 高盐度条件下嗜盐古菌形成白云石的分子机制高盐度条件下嗜盐古菌形成白云石的分子机制盐度升高嗜盐古菌S-layer羧基含量增大羧基促进Mg、Ca互层进入碳酸钙晶格足够的Mg离子成功诱导白云石沉淀Mg/Ca=102.4. 野外找到了微生物诱导形成的白云石的化石形态 保存为化石的纳米球形结构 nanoglobular textures。 偏低的碳氧同位素 据上，巳经在不少地点发现现生的原生白云岩,其沉积环境是在高盐度

13、的潟湖、蒸发潮坪或咸水盆地。 2.4 我国学者在元古代白云岩中找到的微生物结构Tang et al., 2015 3.3.前寒武纪前寒武纪BIFBIF和和白云岩分布白云岩分布与微生物和海洋化学的关系与微生物和海洋化学的关系这两种重要岩石的沉积及地史兴衰均与微生物有关。早、中太古代厌氧细菌首先诱导了BIF沉积，后来又诱导了硅质叠层石沉积。晚太古代是BIF鼎盛时期，同时嗜盐古菌，硫酸盐还原菌，蓝细菌(产氧光合)等作用导致白云岩的出现。第一次大氧化事件对沉积白云岩的促进作用与对BIF的限制作用十分巨大。(白云岩白云岩)3. 3. 前寒武纪前寒武纪BIFBIF和和白云岩分布白云岩分布与微生物和海洋化学

14、的关系与微生物和海洋化学的关系 5. BSR作用导致陆缘硫化海洋的出现及发展对BIF在第一次大氧化事件后日益衰微，以致在18亿年后的消失，有决定性影响。 6. 在8-6.5亿年的雪球地球时期，白云岩、叠层石由于寒冷而衰退，BIF却因硫化海消失而重现。 7. 在显生宙,三者都衰退或消失。BIF是由于生物爆发，造成氧化海洋而绝迹；白云岩则是由于后生生物爆发，限制了微生物作用,只能限于干旱、咸化的局限海域中。 8. 海洋化学:太古代酸性海洋的BIF和叠层石都是硅质为主。元古代海洋硫酸盐浓度低，微生物作用适于形成大量白云石和叠层石。而到显生宙，海洋富硫酸盐且不再酸性,宏体生物繁殖故多变为灰岩。 提纲提

15、纲前寒武纪前寒武纪微生物对沉积的作用微生物对沉积的作用二二. .显生宙显生宙微生物对沉积的作用微生物对沉积的作用 1. 1.微生物在微生物在黑色页岩的形成中黑色页岩的形成中的作用的作用 1). 微生物与黑色页岩(泥岩)沉积 2). 微生物与粘土岩成岩过程 2. 2.微生物在微生物在时错相时错相形成中形成中的作用的作用 1). 1).华南早三叠世时错相沉积华南早三叠世时错相沉积(1)(1) 2). 2).华南早三叠世时错相沉积华南早三叠世时错相沉积(2)(2)三三. . 结语结语1) 微生物与黑色页岩(泥岩)沉积李国山等，2014济阳抝陷沙河街组2).微生物与粘土岩成岩过程蒙皂石的伊利石化u 蒙

16、皂石的伊利石化(蒙皂石 + A13+ + K+ 伊利石 + Si4+）与烃类成熟史,页岩地压力,生长断裂的形成,孔隙水化学变化等有关。在沉积成岩作用期，蒙皂石的伊利石化大致伴随着油气成熟过程。是沉积成岩阶段所发生的典型地球化学反应之一。u 该反应长期被认为受时间、温度和压力所调控，沉积岩中伊/蒙混层矿物（蒙皂石向伊利石转变的过渡相）被视为恢复盆地构造-热演化史的地质温度计。高温高压实验结果表明，通常蒙皂石的伊利石化在300-350C和100 mPa条件下需耗时4-5个月。 u 微生物实验证明,在异化铁还原菌(Shewanella onoidensis)的作用下蒙皂石伊利石化可在常温常压条件下发

17、生，而且仅需两周时间。异化铁还原菌(Shewanella onoidensis)的作用下蒙皂石伊利石化Kim, 2004 微生物诱导蒙皂石的伊利石化的透射电镜图像。在粘土岩中呈现两种矿物。1.0nm厚的伊利石层产生于1.3nm厚的蒙皂石基质中。挿入小图为两者的SAED (selected-area electron diffraction)图像，显示二者(hk0)反射的区别，伊利石显典型的离散反射，蒙皂石则呈环状。2).微生物与粘土岩成岩过程微生物可在常温下促进斜长石形成（Liu et al., 2015） 地球化学工作推测沉积岩中的自生长石是碱性流体与粘土反应的产物。但实验表明反应条件至少为

18、200C及50 mPa，而非实际观察到的沉积埋藏阶段的低温状况。 最近的研究显示，碱性铁还原菌在还原富铁蒙皂石结构铁的同时, 能在室温条件下沉淀钙长石，与此同时伴随着蒙皂石伊利石化。故微生物可以参与地表环境自生长石类矿物的形成。培养CCSD-1菌株的蒙皂石透射电镜图像a. 交代残余的蒙皂石(其成分见右上图);b. 新形成的斜长石(其成分见右下图);Cells.碱性铁还原菌CCSD-1菌株; EPS. 它的细胞外分泌物 微生物在微生物在蒙皂石蒙皂石的的伊利石化伊利石化中的作用机制中的作用机制 1.1.氧化氧化还原交代还原交代Dong,2012过去一般认为蒙皂石的伊利石化是高温和（或）高压作用的产

19、物。 实验显示，在常温常压下，铁还原菌将乳酸氧化为乙酸时，释放电子将蒙皂石中Fe3+ 还原为Fe2+,同时促进了其伊利石化 (蒙皂石 + A13+ + K+ 伊利石 + Si4+）。铁还原菌Shewanella putrefaciens铁还原菌乳酸氧化为乙酸乙酸 （B）铁还原菌细胞表面羧基等官能团及其胞外分泌物 (EPS),可高效地吸附蒙皂石溶解释放的Al 、Si等元素(M+)，进而充当伊利石、长石等的结晶模板, 使其饱和成核，最终形成伊利石、长石等次生硅酸盐矿物。 据谢树成等（A） 微生物胞内有机物氧化所衍生的电子经胞膜铁还原酶譬如Mtr系列功能酶）传递至胞外含铁蒙皂石，通过还原蒙皂石结构中

20、的Fe(III), 使Fe(III) Fe(II), 进而导致蒙皂石溶解破坏，使大量Al、Si等元素释放到溶液中。微生物成因硅酸盐矿物的形成机制2.溶解重组 (A) 由于微生物细胞表面及其EPS含有丰富的羧基及磷羟基等有机官能团，因而易与溶液中的Al、Si等阳离子形成A图的富铁集合体。 (B) 在局部微环境中，吸附态的阳离子达到过饱和而成核，进而形成B图的硅酸盐矿物的前驱相纳米级的无定形Al-Si复合体。360nm370nm560nm610nm微生物成因硅酸盐矿物的形成机制-2.溶解重组 蓝细菌胞外类似的覆盖物蓝细菌胞外类似的覆盖物巴西巴西Solimoes河的河的附生细菌附生细菌透射电镜图像透

21、射电镜图像 (C)这些硅酸盐矿物前驱相在形成过程中会与K+或Ca2+等阳离子共沉淀， 覆盖胞外呈不同结晶程度的硅酸盐矿物 (D) 再历经脱水、熟化等过程,最终形成伊利石或长石 。溶解重组过程可能产生的微孔隙对页岩气很重要。Konhauser & Uruttia, 2009微生物与粘土矿物作用形成许多纳米级孔隙：页岩气硝酸盐还原菌铁还原菌硫酸盐还原菌产甲烷菌好氧菌有机质页岩气提纲提纲前寒武纪前寒武纪微生物对沉积的作用微生物对沉积的作用二二. .显生宙显生宙微生物对沉积的作用微生物对沉积的作用 1.1.微生物在微生物在黑色页岩形成中黑色页岩形成中的作用的作用 1). 微生物与黑色页岩(泥岩

22、)沉积 2). 微生物与粘土岩成岩过程 2.2.微生物在微生物在时错相时错相沉积形成中沉积形成中的作用的作用 1). 1).华南早三叠世时错相沉积华南早三叠世时错相沉积(1)(1) 2). 2).华南早三叠世时错相沉积华南早三叠世时错相沉积(2)(2)三三. . 结语结语 显生宙宏体生物与微生物岩丰度显生宙宏体生物与微生物岩丰度的负相关关系的负相关关系赵小明等，2008华南早三叠世时错相的时代分布 时错相与宏体生物灭绝后微生物活动有关，并随着宏体生物复苏而消失。显生宙微生物岩丰度与多细胞生物分异度负相关显 生 宙Riding and Liang, 20051. PTB1. PTB绝灭与三大缺失

23、及时错相的关系绝灭与三大缺失及时错相的关系大绝灭大绝灭Chen & Benton, 2013早三叠世微生物与时错相的关系浅水有氧带蓝细菌等时错相1；较深水无氧带(硫化带) 产甲烷菌、硫酸盐还原菌、绿硫菌时错相2蓝菌蓝菌绿硫菌绿硫菌硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌产甲烷菌产甲烷菌华南早三叠世时错相的地理分布 时错相(1)(微生物岩等)广泛分布于浅水台地区(黄绿色),时错相(2)各种灰岩则在相对较深水区(蓝色)Yin et al., 2012 由底栖微生物活动引起沉积粘 结和圈捕、和/或表面矿物 沉淀、和/或生物矿化作用而产生的微生物沉积岩。前寒武纪最多,寒武纪后由于多细胞动物啃食、生物扰动等各种

24、生态压制作用而衰退。在显生宙的一些重大突变期也大量出现。包括叠层石、核形石、树形石、凝块石等。四川重庆老龙洞P/T界线上的钙质微生物岩2.2.华南早三叠世华南早三叠世时错相沉积时错相沉积(1)(1)TP王永标等，2005 微生物岩 Microbialite细菌化石直径细菌化石直径20-30 20-30 微米微米绝灭界线绝灭界线王永标等，2005微生物岩凝块石-非纹层,具凝块结构的微生物岩贵州罗甸大文三叠系底部微生物炭中的凝块石. 左表面；右单偏光镜下成因机制:球状菌矿化,微生物粘结碎屑,或无机沉淀？刘建波等，2007纳米颗粒交代有机质(EPS, Fi, CB)纳米颗粒生长粘结形成多面体晶体多面

25、体晶体生长聚集形成微晶颗粒微晶颗粒+有机质形成凝块内核富有机质的凝块核心凝块形成于两种有机矿化机制凝块形成于两种有机矿化机制核心-交代矿化; 外环: 结壳矿化凝块石的有机矿化过程凝块石的有机矿化过程Tang et al., 2013a贫有机质的纤维外环叠层石亦属于微生物岩，在P/T大灭绝后广泛出现土耳其 Curuk Tag T1底部的叠层石1.穹状,标尺85mm；2.波状,标尺85mm；3.柱状,标尺80mm；4.示微层 ,标尺10mm Kershaw et al., 20101234叠层石由有机质层与其胶结的碎屑层组成明暗交替的纹层。暗层分别由微生物絲状体(A)、球状体(B)及混合体包括EP

26、S(C)组成。叠层石亦属于微生物岩，在P/T大灭绝后广泛出现西澳帕斯盆地T1叠层石中的微生物西澳帕斯盆地T1叠层石Chen et al., in press多细胞生多细胞生物灭绝线物灭绝线2.5亿年亿年微生物岩主要是蓝细菌活动产物。每次多细胞动物灭绝后，都有一幕微生物岩大发展时期。PTB大灭绝后的微生物岩，在华南东西展布达1500公里。微生物岩Wang et al., 2005王永标等，20053. 3. 华南早三叠世时错相沉积华南早三叠世时错相沉积(2)(2) 同生扁平砾石灰岩, 安徽广德和龙山组; 层状蠕虫状灰岩, 湖北五峰大冶组; 粒状蠕虫状灰岩, 湖北兴山大冶组; 柱状蠕虫状灰岩, 湖北五峰嘉陵江组; 椭球状蠕虫状灰岩, 湖北五峰嘉陵江组; 薄层泥晶灰岩, 湖北兴山大冶组; 赵小明等，2008fabcde蠕虫状灰岩蠕块的扫描电镜照片，示其中的生物结构。 (Chen et al., in press)时错相沉积 (2) 包括同生扁平砾石灰岩、蠕虫状灰岩、浅水薄层泥晶灰岩及泥质条带灰岩等，具有以下共同特点: 形成于低(贫)氧浅海环境，缺