蔣建建，劉子琦，* ，賀秋芳，段逸凡，呂現(xiàn)福，趙瑞一

(1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715;2.西南大學(xué)地球化學(xué)與同位素實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

巖溶洞穴沉積物尤其是石筍以其分布廣泛、精確定年、高分辨率、可記錄時間范圍廣及代用指標(biāo)穩(wěn)定豐富等優(yōu)點(diǎn)［1］，成為古氣候古環(huán)境重建的重要材料，洞穴沉積物碳氧同位素作為主要環(huán)境替代指標(biāo)被學(xué)者廣泛用于反映古氣候和古環(huán)境信息［2］。沉積物δ18O 被普遍認(rèn)為指示氣候信息［3－5］，而自從 Cerling等土壤學(xué)家系統(tǒng)地論證了土壤CO2的δ13C反應(yīng)地表C3/C4植物的分配比［6］，洞穴沉積物δ13C就被廣泛用于反應(yīng)地表植被狀況，間接反映氣候［7－8］。但洞穴沉積物δ18O、δ13C指標(biāo)受到的影響因素眾多，尤其是碳同位素信息存在異常分布，難以解釋的現(xiàn)象［9－10］。而地球微生物學(xué)的興起，使得貧營養(yǎng)化(富鈣偏堿)的無光洞穴環(huán)境條件下的主要生存者和消費(fèi)者——洞穴微生物，越來越受到重視［11－14］;并為解釋同位素異常分布提供新的思路［15］。

自從土壤細(xì)菌能夠沉積碳酸鈣作為一種普遍現(xiàn)象被證實(shí)［16］，微生物沉積作用在許多條件下被發(fā)現(xiàn)，如湖相沉積物，海水［17－18］，而土壤中微生物沉積碳酸鈣最為廣泛［19］，當(dāng)大氣降水在流經(jīng)洞穴上覆土壤、基巖時，會攜帶細(xì)菌進(jìn)入洞穴，其對洞穴各種沉積作用的進(jìn)行產(chǎn)生影響，如鵝管中真菌菌絲的發(fā)現(xiàn)，雙U型沉積形態(tài)的形成都與微生物作用相關(guān)［11，16］。并且，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展并被引入地球科學(xué)，原始的洞穴沉積物中微生物沉積作用得以觀察［20］，特別是近年來，分子化石的研究表明保存在石筍中痕量的來自生物體的類脂肪指標(biāo)可以反映氣候變化，而部分脂肪物來自微生物，且其他類脂肪物也呈現(xiàn)出微生物改造的跡象［21］;同時，洞穴微生物和化學(xué)過程協(xié)同作用可能是形成洞穴沉積物如石筍、鐘乳石等的起始性過程［22－25］。我國南方發(fā)現(xiàn)大量文石類石筍［26］，文石及方解石石筍結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是否與洞穴微生物的成礦作用有關(guān)，微生物成礦作用受哪些條件控制，微生物形成碳酸鈣晶體會對沉積條件產(chǎn)生怎樣的影響，以及微生物沉積礦物的晶體特征是否有其區(qū)別于單純化學(xué)沉積作用的獨(dú)特性，該種獨(dú)特性是否能成為辨別微生物沉積作用在原始洞穴沉積物存在的證據(jù)，最終微生物沉積作用是否對原始洞穴沉積物同位素信息產(chǎn)生影響。因此，開展洞穴微生物對洞穴沉積物形成過程中的影響研究，對利用石筍等洞穴沉積物重建古氣候和環(huán)境研究具有重要意義。

本研究的前期，選取了貴州中西部的4個巖溶洞穴［27］，進(jìn)行了洞穴微生物的取樣篩選，幾個洞穴中都篩選到能沉積碳酸鈣的菌種，并在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)中得到了方解石和球霰石為主的碳酸鈣晶體，初步認(rèn)為影響碳酸鈣沉積的微生物在洞穴中普遍存在，其對洞穴沉積物的影響廣泛存在，并對洞穴中沉積碳酸鈣菌種的生化特征有初步了解。在此基礎(chǔ)上，本研究選取了前期研究中沉積物發(fā)育較好，洞穴封閉，人為影響少的石將軍洞，該洞穴未見任何地球微生物方面的研究報(bào)道，我們通過長期監(jiān)測，已有同位素信息現(xiàn)代監(jiān)測成果［28］，并初步獲得了洞穴微生物方面的基本研究結(jié)果。本文結(jié)合該洞穴已有監(jiān)測數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)理化背景資料，進(jìn)一步利用B－4培養(yǎng)基(主要含Ca和少量有機(jī)物的貧營養(yǎng)培養(yǎng)基)及B－4C培養(yǎng)基(B－4培養(yǎng)基添加Mg)對洞穴沉積碳酸鈣菌種進(jìn)行培養(yǎng)、篩選以及對微生物形成沉積物進(jìn)行鑒定［16］，分析微生物對培養(yǎng)體系的酸堿性、離子濃度、沉積量的影響，對比不同條件下微生物沉積礦物的晶體特征，對沉積碳酸鈣菌種如何影響洞穴沉積作用做進(jìn)一步探討。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

樣品取自貴州省中部安順市西秀區(qū)七眼橋鎮(zhèn)屯堡寨村燕子窩村民組西北方向約100m處的石將軍洞(SJJ)，該洞穴已有學(xué)者做過水化學(xué)等方面研究工作［29］。安順市位于貴州省中西部(105°13'—106°34'E，25°21'—26°38'N)，是世界上典型的喀斯特地貌集中地區(qū)，處云貴高原東部的梯級狀斜坡地帶，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤區(qū)，年均降水量1 360 mm，年均氣溫14℃。石將軍洞海拔1 360 m左右，發(fā)育于三疊系中上統(tǒng)(T2－3)，為石灰?guī)r、白云巖互層層組，所在地區(qū)石漠化嚴(yán)重，即巖石裸露，植被稀少，以少量的耐旱植物為主。

1.2 菌種的取樣培養(yǎng)方法

微生物樣品的取樣方法，培養(yǎng)基(復(fù)篩培養(yǎng)基中B－4C液體培養(yǎng)基:醋酸鈣2.5 g/L，酵母膏4.0 g/L，MgCl21.4 g/L，pH值8.0;除添加MgCl2作為Mg2+來源外，其余成分及條件與B－4培養(yǎng)基一致)，培養(yǎng)方法均見前期研究［27］。本研究從8個樣品中純化分離出58株菌種，從中篩選了18株能沉積碳酸鈣的菌種，通過形態(tài)對比選取了5株菌種做沉積條件對比實(shí)驗(yàn)，圖1為洞穴取樣點(diǎn)分布圖。

圖1 洞穴取樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of sampling points in Shijiangjun Cave

1.3 沉積物的鑒定方法

初步測試:用小勺取固體平板上的培養(yǎng)物，使用體積濃度1∶10的稀鹽酸滴定，觀察反應(yīng)是否有氣泡產(chǎn)生;鑒定:將液體培養(yǎng)基上鈣化菌種產(chǎn)生的固體小顆粒物通過0.45 μm的濾膜過濾，在45℃下烘干，經(jīng)X射線檢測儀(簡稱XRD，型號Rigaku D;測角儀精度 0.02°;掃描范圍－3°—160°)檢測固體顆粒物的晶體成分。并將樣品噴金處理后利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(簡稱 FEI－SEM，型號 FEI Nova 400 Nano SEM，分辨率:高真空模式1.0nm@15KV;1.8nm@1KV)進(jìn)一步觀察晶體結(jié)構(gòu)特征，XRD及SEM測試均在重慶大學(xué)完成。

2 結(jié)果

2.1 固體培養(yǎng)基的初步結(jié)果

微生物樣品取自石將軍洞8個現(xiàn)代滴水監(jiān)測點(diǎn)處的洞穴沉積物石筍、鵝管以及石鐘乳等現(xiàn)代沉積物表面，經(jīng)劃線接種至B－4固體培養(yǎng)基上共篩選了58株不同的菌種，通過與前期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)獲得的菌落形態(tài)特征對比［27］，篩選出了18株菌落表面能產(chǎn)生大量固體結(jié)晶或白色顆粒物的菌種，經(jīng)稀鹽酸檢測菌落顆粒物，固體結(jié)晶物在稀鹽酸中逐步溶解并產(chǎn)生無色細(xì)小氣泡。圖2為本次培養(yǎng)中篩選的具有廣泛存在性及形態(tài)特征特殊的部分菌種，如SJJ－8－7，SJJ－1－2都是菌落呈乳白色并能產(chǎn)生大量白色顆粒物的菌種，并且在8個樣品中都分離出了這類具有廣泛存在性的菌種，SJJ－2－7菌落呈棕褐色褶皺狀有結(jié)皮、生長速度快，SJJ－6－4 和 SJJ－6－1 菌落為灰白色有結(jié)皮、生長速度快，這類菌種在培養(yǎng)中占總篩選數(shù)的1/3，可能是優(yōu)勢種，后期液體培養(yǎng)時選取了該類菌種SJJ－7－7為驗(yàn)證菌種做了進(jìn)一步培養(yǎng);本研究同時選取了在以往取樣中較少出現(xiàn)但在本次培養(yǎng)中成功培養(yǎng)且生長較快的菌種，如 SJJ－1－1、SJJ－7－3、SJJ－2－3，菌落特征分別為棕褐色有結(jié)皮、深褐色、紅褐色，生長速度都較快并能產(chǎn)生固體顆粒物;SJJ－1－6為灰黑色霉菌狀菌落，生長速度快，但無明顯沉積現(xiàn)象。通過對菌落滴酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡的程度對比，初步選定 SJJ－2－3、SJJ－1－4、SJJ－7－7、SJJ－7－3、SJJ－8－7 等 5 株不同菌種進(jìn)行液體培養(yǎng)以進(jìn)一步研究其沉積作用。

圖2 部分菌種B-4固體培養(yǎng)基上的形態(tài)特征比較Fig.2 Comparing characteristics of different cave bacteria species on the B-4 solid culture medium SJJ－1－2是指石將軍洞一號樣品中分離培養(yǎng)出的二號菌種，其余編號方法相同

2.2 洞穴滴水及沉積物特征

為更貼近真實(shí)洞穴條件，了解微生物取樣點(diǎn)理化環(huán)境及沉積狀況，對石將軍洞滴水的基本理化性質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測和分析，表1為5月份微生物樣品取樣時洞穴滴水的基本數(shù)據(jù)和洞穴環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)。8 個滴水點(diǎn)的 Ca2+/Mg2+質(zhì)量濃度比分為2∶1(1、2、6、7)及 1∶1(3、4、5、8)兩類，這與該洞穴相關(guān)學(xué)者所做的水化學(xué)研究結(jié)果一致［29］;此外，據(jù)張海偉等［30］對同一巖溶洞穴的研究表明影響石筍礦物類型的因素主要是滴水飽和度和Ca2+/Mg2+比值，本研究中設(shè)計(jì)了接近滴水Ca2+/Mg2+質(zhì)量濃度比2∶1的B－4C培養(yǎng)基，分別將篩選出的5種菌種接種到B－4C培養(yǎng)基和B－4培養(yǎng)基，探討微生物沉積碳酸鈣礦物不同類型的離子條件，對比同時添加Mg2+和Ca2+與只添加相同量Ca2+的條件下微生物沉積碳酸鈣礦物的不同晶體形態(tài)。同時，2011—2012年放置玻璃皿在滴水點(diǎn)下接收沉積物，發(fā)現(xiàn)4到5個月的沉積量在0.0049—0.0527g(1、3、4號點(diǎn)在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)有明顯沉積，但由于后期損壞未收集到玻璃皿)，呈白色薄層狀，表明該洞穴監(jiān)測到的幾個點(diǎn)沉積作用發(fā)育;并且，各個滴水點(diǎn)附近的CO2分壓較低，都在600mL/L以下。

表1 石將軍洞洞穴滴水和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)(2012年5月)Table 1 The drip water and environmental monitoring data of Shijiangjun Cave

2.3 室內(nèi)微生物沉積晶體結(jié)果

2.3.1 沉積量

經(jīng)B－4及B－4C液體培養(yǎng)基28℃避光恒溫培養(yǎng)18d后，大多數(shù)樣品中都有結(jié)晶小顆粒出現(xiàn)，而陰性對照中有少量絮狀物，沒有固體顆粒物形成，表明B－4培養(yǎng)基雖然為含Ca2+的弱堿性液體，但在該實(shí)驗(yàn)體系中Ca2+較為穩(wěn)定，自然條件下不會因?yàn)镃O2的溶入而沉淀。用0.45 μm微孔濾膜將培養(yǎng)物過濾，經(jīng)烘干處理后稱重，接種過微生物的培養(yǎng)液過濾后濾膜與原始對比增重量是不接微生物空白對照的10—50倍(表2)，這表明微生物能夠顯著改變實(shí)驗(yàn)體系。此外，稱重結(jié)果顯示大多數(shù)接種過微生物的B－4C培養(yǎng)基沉積物的量比B－4培養(yǎng)基的多。通過對經(jīng)過濾烘干處理后沉積物量的比較，選取了兩種不同培養(yǎng)基產(chǎn)生幾乎相同沉積量的 SJJ－7－7、SJJ－8－7 和沉積量有較大差別的SJJ－2－3，分別做XRD礦物成分分析及SEM礦物晶體形態(tài)分析。

2.3.2 鈣鎂離子及pH值

測定培養(yǎng)基濾液的Ca2+濃度，發(fā)現(xiàn)接種過微生物的培養(yǎng)液Ca2+濃度下降了50%—90%，而Mg2+濃度最多降低25%(表2)。而且，接種的B－4C培養(yǎng)基濾液普遍要比同種細(xì)菌 B－4培養(yǎng)基濾液 Ca2+濃度高。

測定培養(yǎng)基濾液pH值，發(fā)現(xiàn)濾液的pH值普遍升高，所得沉積量越多，pH值增幅越大。如SJJ－8－7在兩種培養(yǎng)基內(nèi)獲得的沉積量最多，同時SJJ－8－7濾液pH值增幅也最大，其中 B－4培養(yǎng)基中 pH值9.08，相對空白對照pH值8.02增幅為1。大多數(shù)接種的B－4C培養(yǎng)基沉積物的量比B－4培養(yǎng)基的多，其濾液pH值增幅也較大(表2)。

表2 培養(yǎng)基過濾后增重量及培養(yǎng)液pH值、離子濃度Table 2 Medium increment in weight after filtering and pH，ionic concentration of culture solution

2.3.3 室內(nèi)微生物沉積晶體形態(tài)及特征

XRD分析(圖3)表明培養(yǎng)基中沉積礦物主要為方解石、球霰石及方解石的混合和球霰石。B－4和B－4C兩種培養(yǎng)基上形成的晶體形態(tài)截然不同，即使形成同種礦物，其XRD譜峰和晶體形態(tài)也有明顯差異。如SJJ－2－3菌種在兩種培養(yǎng)基上都形成了方解石晶體，XRD圖譜也顯示礦物均為方解石，但其譜峰強(qiáng)度有很大差別。對比SEM圖(圖4)發(fā)現(xiàn)，B－4C培養(yǎng)基下形成了規(guī)則的六方柱形單晶，而在無Mg2+的B－4培養(yǎng)基上形成的是不規(guī)則方解石。對于同一菌種，只含Ca2+的B－4培養(yǎng)基上形成了不穩(wěn)定的球霰石或球霰石和方解石的混合物(SJJ－2－3形成的是不規(guī)則無定形方解石)，而在同時含有Mg2+和Ca2+的B－4C培養(yǎng)基上只形成了方解石。

SEM圖中顯示，本研究中微生物沉積形成多種碳酸鈣礦物晶體形態(tài)，如不規(guī)則六方體、柱狀體、四方體層狀、斜六方體、半球狀以及幾何與半球結(jié)合形態(tài)。如SJJ－7－7在B－4C上的半球狀球霰石附著很多較小的圓餅狀球霰石(圖4)［31］，圖4 中 SJJ－7－7 在 B－4上形成的形態(tài)規(guī)則的晶體。此外，晶體結(jié)構(gòu)也有明顯微生物作用的痕跡，如SJJ－7－7中，B－4C 培養(yǎng)基上的晶體表面有2—3μm類細(xì)菌大小的明顯凹陷(圖4)。

圖3 晶體XRD譜線圖Fig 3 XRD measurements of the crystals圖中 SJJ－2－3(B－4)、SJJ－2－3(B－4C)分別指 SJJ－2－3 菌種在 B－4、B－4C 培養(yǎng)基下形成的晶體 XRD 譜線，其余編號方法相同

圖4 微生物沉積礦物SEM圖Fig.4 SEM images of microbial mineral precipitation圖中 SJJ－2－3(B－4)、SJJ－2－3(B－4C)分別指 SJJ－2－3 菌種在 B－4、B－4C 培養(yǎng)基下形成的的晶體形態(tài)，其余編號方法相同;a:SJJ－7－7(B－4C)圖中箭頭所指的2－3um類細(xì)菌大小的凹陷;b:SJJ－7－7(B－4)箭頭所指圓餅狀球霰石;c:SJJ－7－7(B－4)方解石規(guī)則晶體形態(tài)

3 分析與討論

3.1 影響沉積量原因分析

稱重結(jié)果表明，沉積量在不同類型的培養(yǎng)基上有很大差別，主要表現(xiàn)為同種菌在B－4C培養(yǎng)基上沉積量比B－4培養(yǎng)基上普遍要多，相應(yīng)地，其濾液Ca2+濃度也較高。濾液Ca2+濃度降低可能會促使沉積作用發(fā)生，這可能因?yàn)槲⑸锍练e碳酸鹽過程中移除有毒性的Ca2+是生理性的適應(yīng)過程，這種作用形成了洞穴原始沉積晶體成核的作用位點(diǎn)，而這些晶體成核點(diǎn)有利于洞穴次生碳酸鈣的形成［15］。此外，本實(shí)驗(yàn)中，B－4C培養(yǎng)基中添加Mg2+可能會減輕Ca2+對細(xì)菌的毒性壓力，而表現(xiàn)出B－4C培養(yǎng)基濾液中Ca2+的移除較少。對Ca2+的移除需求可能是影響微生物沉積作用發(fā)生的關(guān)鍵之一。

pH值測試結(jié)果表明，培養(yǎng)基濾液pH值增幅可能與沉積量之間有一定的聯(lián)系，為進(jìn)一步驗(yàn)證，對沉積量與pH值之間做相關(guān)性分析。結(jié)果表明，如果基于陰性空白對照則兩種培養(yǎng)基整體表現(xiàn)出沉積量與pH值極顯著相關(guān)(α=0.01)，考慮溫度及測量誤差等因素，也有很好的相關(guān)性;此外，如排除空白對照，整體上，沉積量與pH值之間基本沒有相關(guān)性，但B－4培養(yǎng)基體系兩變量之間仍有較好的相關(guān)性(α=0.1)(圖 5，SJJ－1－4(B－4C)沉積量收集時濾膜破損，故未計(jì)入相關(guān)性分析)。因此，微生物改變實(shí)驗(yàn)體系的pH值可能是影響碳酸鈣沉積量的重要因素之一。

圖5 沉積量與pH值相關(guān)性分析Fig.5 Correlation coefficients between precipitation weight and pH

綜上所述，pH值和Ca2+濃度可能對微生物沉積碳酸鈣起著至關(guān)重要的作用，根據(jù)已有研究，碳酸鈣沉積過程受Ca2+濃度、溶解無機(jī)碳(DIC)、pH值和可利用的成核位點(diǎn)4個基本的化學(xué)因素影響［32－33］。本研究中培養(yǎng)基濾液的Ca2+濃度顯著降低，而Mg2+濃度基本未受到微生物作用的影響;同時，添加Mg2+的B－4C培養(yǎng)基濾液中Ca2+的移除較少。這可能與微生物沉積過程中對鈣離子的代謝會減輕Ca2+對微生物生理性的毒性壓力有關(guān)，而Mg2+并不參與微生物代謝過程或者對微生物生存不產(chǎn)生致命性的壓力;因此，微生物對鈣離子的代謝可能是沉積作用發(fā)生的關(guān)鍵之一［34］。此外，培養(yǎng)基濾液pH值與沉積量的相關(guān)性表明，細(xì)菌的生長可能極大地推動著液體介質(zhì)的pH值增高，而pH值的增高有利于碳酸鈣沉積的發(fā)生［35］;但微生物對 Mg2+代謝表現(xiàn)出的復(fù)雜性，說明微生物沉積碳酸鈣的控制因素不只是pH值和對鈣離子的代謝作用。

3.2 礦物分析

XRD分析及SEM結(jié)果表明，同一菌種在兩種不同的培養(yǎng)基上沉積的礦物晶體形態(tài)及特征都不同。這兩種培養(yǎng)基的差別主要表現(xiàn)在B－4培養(yǎng)基只添加了Ca2+，而B－4C培養(yǎng)基中同時添加了相同量的Ca2+及一定量的Mg2+。B－4培養(yǎng)基上沉積的碳酸鈣主要為球霰石、球霰石和方解石的混合物 、不規(guī)則無定形方解石等不穩(wěn)定的晶體;B－4C培養(yǎng)基則形成了六方柱形等規(guī)則方解石的穩(wěn)定晶體。可能因?yàn)樘砑覯g2+有利于整個實(shí)驗(yàn)體系趨于穩(wěn)定，而更易于方解石等穩(wěn)定晶體的沉積。在前期研究中，對其他菌種的研究也表明不加Mg2+或者Ca2+濃度越高可能更易于形成球霰石或球霰石和方解石的混合［27］。

石筍礦物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的研究［30，36］發(fā)現(xiàn) Mg2+的存在誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶向文石轉(zhuǎn)變，但本研究中Mg2+的存在似乎更有利于碳酸鈣沉積物向穩(wěn)定的方解石轉(zhuǎn)變，而不是文石。然而，盡管在本研究及前期研究中均沒有發(fā)現(xiàn)文石的存在［27］，但在石將軍洞中卻發(fā)現(xiàn)過文石石筍［28］。本研究中通過對比現(xiàn)代洞穴監(jiān)測數(shù)據(jù)及參考其它同類研究，實(shí)驗(yàn)是在28℃下避光培養(yǎng)的，其他同類研究中都有文石的形成［15－16，19，22］?？赡芴妓徕}的這種高壓穩(wěn)定相文石晶體的形成，不僅受各種化學(xué)離子的調(diào)控，同時受所處空間和環(huán)境溫度等因素的影響。周根陶等［38］指出文石型碳酸鈣本身是亞穩(wěn)變體，在水溶液中很快經(jīng)過同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的方解石相。本研究為液體培養(yǎng)基，微生物沉積碳酸鈣過程中可能有文石出現(xiàn)，但在液體培養(yǎng)體系中可能很快轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐茨茉谧罱K結(jié)果中顯現(xiàn)。

SEM圖分析表明，微生物作用沉積的碳酸鈣晶體形態(tài)區(qū)別于單純化學(xué)作用下形成的三方或六方規(guī)則方解石等碳酸鈣晶體。由于晶體的結(jié)構(gòu)不僅受所處空間環(huán)境的控制，而且受微生物分泌物、培養(yǎng)基pH值及添加的離子等多種因素影響，因此微生物在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)體系下形成了多種不同的晶體結(jié)構(gòu)。Wang等［35］發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣礦化過程中微生物存在逃逸機(jī)制，微生物在沉積碳酸鈣后可能會從礦物中逃逸出去，微生物的此種機(jī)制可能最終影響著礦物的形態(tài)。此外，晶體結(jié)構(gòu)表面微生物作用痕跡也很明顯，進(jìn)一步表明微生物對沉積作用產(chǎn)生重要影響。成亮等［36］的研究表明細(xì)菌分泌物對晶體形貌影響很大，而細(xì)菌體在六方體碳酸鈣晶體表面留下孔洞，但對晶體幾何形態(tài)幾乎沒有影響，這與本研究中的礦物形態(tài)一致。

綜合XRD及SEM圖譜表明，SJJ－2－3和同樣接種在 B－4 培養(yǎng)基上的其他兩種菌種 SJJ－7－7 和 SJJ－8－7產(chǎn)生的礦物晶體不同，只形成了碳酸鈣穩(wěn)定的方解石晶體;SJJ－7－7 和 SJJ－8－7 在此種培養(yǎng)基上分別形成了方解及石球霰石的混合物和單純的球霰石。然而，對比培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的沉積量和pH值的變化，SJJ－2－3在 B－4培養(yǎng)基和 B－4C 培養(yǎng)基產(chǎn)生的沉積量都少于 SJJ－7－7 和 SJJ－8－7 在同種培養(yǎng)基上產(chǎn)生的沉積量，并且SJJ－2－3培養(yǎng)液的pH值增幅相對其他兩種菌種也較小。這些現(xiàn)象表明，不同菌種對實(shí)驗(yàn)體系的擾動強(qiáng)度不同，進(jìn)而對體系的pH值產(chǎn)生作用，pH值增幅越大體系越趨于不穩(wěn)定，體系越不穩(wěn)定可能更利于沉積作用的發(fā)生，從而產(chǎn)生更多的沉積量。如 B－4 培養(yǎng)基的 pH 值增幅從 SJJ－2－3、SJJ－7－7 和SJJ－8－7依次增大，而表現(xiàn)出晶體結(jié)構(gòu)的變化從穩(wěn)定相的方解石、方解石和球霰石的混合到單純的球霰石這種在自然化學(xué)作用下很難形成的碳酸鈣不穩(wěn)定相，并且，相對地沉積量也有增多的趨勢。沉積量與pH值相關(guān)性分析也證實(shí)了這一點(diǎn)。

對比本研究的實(shí)驗(yàn)條件，培養(yǎng)條件都是在洞穴微生物最適生長的溫度28℃下［22］，初始培養(yǎng)基pH值8.0［16］，除 B－4C 培養(yǎng)基同時添加 Mg2+和 Ca2+，B－4培養(yǎng)基只添加相同量的Ca2+外，而表現(xiàn)出的這種晶體形態(tài)差異，可能不僅與添加Mg2+的誘導(dǎo)及不同微生物對實(shí)驗(yàn)條件改變有關(guān)，而且和整個實(shí)驗(yàn)體系的擾動程度相關(guān)。因此，本研究后續(xù)實(shí)驗(yàn)將改變培養(yǎng)液長期靜置的狀況，通過模擬洞穴滴水及其沉積物形成條件，最終確定微生物沉積碳酸鈣的晶體形態(tài)受哪些因素影響。

3.3 討論

碳酸鹽類礦物形成必須滿足兩個條件，即水體中碳酸鹽達(dá)到飽和及有足夠的有效成核位點(diǎn)。也就是說，理論上凡能提高礦物飽和指數(shù)并且能提供成核位點(diǎn)的微生物作用均能促進(jìn)碳酸鹽沉淀的形成［14］。本研究中培養(yǎng)基體系的pH值增幅越大，相對地沉積量也越多。這種高幅度改變實(shí)驗(yàn)體系的酸堿度，與微生物通過代謝活動大幅度提高所處環(huán)境pH值以便Ca2+達(dá)到飽和狀態(tài)從而排除其毒性的壓力有關(guān)［15］。微生物移除Ca2+的代謝生長過程中，代謝產(chǎn)物可能為洞穴沉積作用的發(fā)生提供成核位點(diǎn)等先決條件［22］。同時，這也為石將軍洞現(xiàn)代監(jiān)測中洞穴滴水“旱季滴水pH值低，雨季滴水pH值高”［39］的反常現(xiàn)象提供某種程度上的解釋，即雨季時，洞穴微生物作用加強(qiáng)而基于代謝需要反而使滴水pH值普遍增高，反之亦反。

微生物沉積碳酸鈣晶體成分及形態(tài)分析顯示，微生物作用沉積的碳酸鈣，與單純化學(xué)作用下形成的碳酸鈣晶體形態(tài)有很大區(qū)別，并且，Mg2+對碳酸鈣晶體形態(tài)產(chǎn)生重要影響。石將軍洞發(fā)育于灰質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r，洞穴滴水和池水中Mg2+的含量都很高，而微生物普遍參與沉積作用，這可能會加強(qiáng)微生物沉積碳酸鈣作用對石筍等現(xiàn)代次生化學(xué)沉積物形成過程的影響。此外，已有研究表明微生物作用沉積碳酸鈣會導(dǎo)致偏負(fù)的碳、氧同位素［40］。因此，在利用石筍等次生化學(xué)沉積物恢復(fù)和重建古氣候和古環(huán)境時，尤其在考慮碳同位素信息影響因素眾多，微生物作用又與其他因素相互耦聯(lián)發(fā)生作用的條件下，微生物沉積作用不容忽視。那么，查明微生物沉積作用造成碳同位素的分餾信息尤為關(guān)鍵。本研究后續(xù)將利用微生物作用過程并結(jié)合動力作用來模擬洞穴環(huán)境下的沉積作用，以進(jìn)一步探討微生物沉積作用如何影響洞穴沉積物的同位素信息。

4 結(jié)論

本研究對比了B－4和B－4C培養(yǎng)基上微生物形成碳酸鈣的晶體形態(tài)結(jié)構(gòu)及培養(yǎng)過程中培養(yǎng)基理化性質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)洞穴微生物中沉積碳酸鈣的不同菌種可能對實(shí)驗(yàn)體系的穩(wěn)定性擾動程度不同。而且這種擾動程度反應(yīng)在對各理化性質(zhì)的改變幅度，最終對形成的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用。結(jié)合XRD晶體成分分析及SEM晶體結(jié)構(gòu)分析，得出以下結(jié)論:

(1)本研究實(shí)驗(yàn)條件下，微生物在B－4培養(yǎng)基上隨著培養(yǎng)基pH值增幅的增大，主要形成了以方解石，方解石和球霰石的混合物以及球霰石為主的晶體。

(2)B－4C培養(yǎng)基上的3種菌種產(chǎn)生的礦物主要以單一的方解石為主，添加Mg2+可能有利于抑制微生物對培養(yǎng)基體系的擾動，而形成穩(wěn)定的碳酸鈣晶體——方解石。

(3)本研究中并沒有文石晶體出現(xiàn)。

(4)通過SEM觀察到多種不同礦物的晶體結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)較少見于化學(xué)作用更多是生物作用下形成的碳酸鈣晶體結(jié)構(gòu)。同時，各個晶體結(jié)構(gòu)中都有微生物的作用痕跡，細(xì)菌作用可能貫穿于整個晶體形成的過程中。

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