張弛， 董毅

1 美國(guó)堪薩斯大學(xué)地質(zhì)系, 堪薩斯 66045 2 美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院土木及環(huán)境工程系, 科羅拉多 80401

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生物地球物理:地球物理方法在研究生物地球化學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用和發(fā)展

張弛1， 董毅2

1 美國(guó)堪薩斯大學(xué)地質(zhì)系, 堪薩斯 66045 2 美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院土木及環(huán)境工程系, 科羅拉多 80401

微生物廣泛參與了其所處地質(zhì)環(huán)境的物理和化學(xué)性質(zhì)改造過(guò)程.監(jiān)控微生物與地質(zhì)介質(zhì)之間相互作用的過(guò)程并了解其機(jī)制對(duì)近地面環(huán)境工程中土壤及地下水污染整治等實(shí)際應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用.地球物理勘測(cè)成像技術(shù)不僅能夠在傳統(tǒng)應(yīng)用中測(cè)量和表征地表以下的物理特性變化,大量直接有效的證據(jù)表明這些方法還可以捕獲孔隙介質(zhì)中的生物地球化學(xué)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程,包括監(jiān)測(cè)微生物、微生物活動(dòng)以及它們與礦物之間的相互作用.生物地球物理(Biogeophysics)作為勘探地球物理的一個(gè)新興分支學(xué)科,包含了微生物學(xué)、生物地球科學(xué)以及地球物理勘測(cè)等多個(gè)學(xué)科,側(cè)重于研究微生物與地質(zhì)介質(zhì)相互作用對(duì)地球物理場(chǎng)的影響.過(guò)去十幾年在生物地球物理領(lǐng)域的研究充分表明和驗(yàn)證了地球物理勘測(cè)方法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)(最小化侵入、時(shí)空連續(xù)及跨尺度運(yùn)用),并為將傳統(tǒng)勘測(cè)方法用于探索跨時(shí)間空間各尺度的地下生物地球化學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù).本篇綜述將系統(tǒng)介紹生物地球物理學(xué)科的理論背景、發(fā)展和研究前沿.首先討論微生物及其活動(dòng)引起的孔隙介質(zhì)中物理化學(xué)性質(zhì)的變化.其次,將側(cè)重于探討微生物活動(dòng)對(duì)包括地電法、電磁法、探地雷達(dá)以及地震法等不同地球物理場(chǎng)的響應(yīng).最后將討論生物地球物理領(lǐng)域的機(jī)遇、挑戰(zhàn)和潛在應(yīng)用.

生物地球物理； 地球物理勘測(cè)方法； 微生物過(guò)程； 生物地球化學(xué)過(guò)程； 微生物礦物相互作用

1 引言

微生物是所有微小生物的總稱(chēng)，它涵括原核生物中的全部真細(xì)菌和古細(xì)菌，真核生物中的部分真菌及單細(xì)胞藻類(lèi)等.微生物廣泛存在于地球上的每個(gè)角落，包括各種極酸、堿、冷、熱以及普通動(dòng)、植物無(wú)法生存的極端環(huán)境中，人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不生活在“微生物的海洋”中(Konhauser, 2006).微生物在不同時(shí)空尺度上密切參與地球表層各圈層的改造和演變，比如化學(xué)元素的循環(huán)轉(zhuǎn)化，礦物以及巖石的形成，氧化還原反應(yīng)改變水、土壤、沉積物中的金屬及類(lèi)金屬種類(lèi)，降解有機(jī)化合物等.正如此，微生物在地球和環(huán)境的演化進(jìn)程中扮演著重要的角色，并且地球上留下了它們的地質(zhì)印記.在地球淺地表層中，微生物活動(dòng)引起巖石及多孔介質(zhì)物理特性和化學(xué)特性的改變，這些地質(zhì)條件的改變反過(guò)來(lái)又影響微生物的活動(dòng).進(jìn)一步了解微生物活動(dòng)和地質(zhì)條件的相互作用是地球科學(xué)(包括地質(zhì)微生物學(xué)、地球化學(xué)、生物地質(zhì)學(xué)等)研究的內(nèi)容.但是由于這些學(xué)科的研究范圍多局限于近地表采樣和有限的鉆孔，難以在更大的時(shí)空范圍對(duì)微生物及其生長(zhǎng)環(huán)境的探測(cè).

地球物理方法與傳統(tǒng)采樣檢測(cè)方式相比，具有非入侵、大尺度、高分辨率、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、快速經(jīng)濟(jì)等顯著優(yōu)勢(shì).近幾年來(lái)，在地球物理學(xué)界有越來(lái)越多的研究開(kāi)始探索近地表微生物和地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用，以及相伴產(chǎn)生的地球物理信號(hào).對(duì)于這些研究潛力的認(rèn)可，相應(yīng)產(chǎn)生了生物地球物理(Biogeophysics)這一新興分支學(xué)科，它結(jié)合了諸多領(lǐng)域例如微生物學(xué)、生物地球科學(xué)、地球物理學(xué)等(Atekwana and Slater, 2009).具體來(lái)說(shuō)，生物地球物理研究近地表微生物活動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及其誘發(fā)的對(duì)地質(zhì)介質(zhì)的改造中產(chǎn)生的地球物理信號(hào)特征.生物地球物理主要研究以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)微生物活動(dòng)產(chǎn)生的直接地球物理信號(hào)特征是什么？(2)地球物理方法能夠用來(lái)探索微生物與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用嗎？(3)怎樣利用地球物理方法增進(jìn)對(duì)環(huán)境中生物地球化學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)？(4)地球物理方法能否運(yùn)用在實(shí)際的野外現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中？比如工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)，以及微生物采油(microbial enhanced oil recovery)等.

全球范圍內(nèi)，研究人員在過(guò)去的十年多中開(kāi)辟了這個(gè)全新的交叉領(lǐng)域，也不斷在尋找上述幾個(gè)科學(xué)問(wèn)題的答案，開(kāi)始將地球物理方法應(yīng)用于地下微生物改造作用的研究.早期的生物地球物理研究主要源于近地面地球物理或環(huán)境地球物理的研究，而這些研究成果也被提交到一些國(guó)際會(huì)議例如美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)(AGU)年度會(huì)議上.2005年開(kāi)始，AGU專(zhuān)門(mén)設(shè)立了生物地球物理學(xué)專(zhuān)題，2008年10月, 在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和能源部的共同資助下在緬因州的波特蘭召開(kāi)了首屆國(guó)際生物地球物理學(xué)會(huì)議(AGU-Chapman Biogeophysics), 來(lái)自北美、歐洲、亞洲等地區(qū)的多位地球物理、地球化學(xué)、地質(zhì)和環(huán)境微生物等領(lǐng)域的學(xué)家, 分享并討論了生物地球物理的研究進(jìn)展和發(fā)展方向.這些研究成果不僅有野外尺度的觀測(cè)，也有實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)微生物在孔隙介質(zhì)中的活動(dòng)進(jìn)行表征.而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的物性測(cè)量越來(lái)越多地和化學(xué)及微生物分析手段(例如：離子濃度、物質(zhì)相位變化、微生物濃度、掃描電子顯微鏡等)結(jié)合在一起，對(duì)微生物活動(dòng)進(jìn)行全面地分析，從而更加有效地建立微生物活動(dòng)和地球物理信號(hào)之間的關(guān)聯(lián).

雖然近十年來(lái)我們看到許多生物地球物理領(lǐng)域的研究成果，這些微生物-地質(zhì)介質(zhì)相互作用過(guò)程以及其對(duì)地球物理信號(hào)的影響目前還未被人們充分理解和掌握.生物地球物理代表了一個(gè)具有變革性的研究領(lǐng)域和多學(xué)科交叉的科研前沿，旨在挖掘傳統(tǒng)地球物理方法用于研究微生物、微生物過(guò)程、微生物礦物相互作用等開(kāi)發(fā)潛能.本篇綜述將首先介紹應(yīng)用于生物地球物理研究的幾種不同地球物理方法，之后重點(diǎn)介紹微生物生長(zhǎng)、微生物生物膜形成、微生物代謝產(chǎn)物、以及微生物礦物化過(guò)程引起的多孔地質(zhì)介質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)的變化及其對(duì)不同地球物理場(chǎng)的響應(yīng).文章的最后將簡(jiǎn)要討論生物地球物理領(lǐng)域的機(jī)遇、挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景.我們希望本篇綜述將會(huì)給行業(yè)內(nèi)的研究人員介紹生物地球物理這個(gè)新興學(xué)科，并給讀者帶來(lái)地球物理方法用于微生物活動(dòng)的表征更全面的認(rèn)識(shí).

2 生物地球物理中的地球物理方法

目前，應(yīng)用于研究微生物活動(dòng)以及其與地質(zhì)介質(zhì)相互作用的地球物理方法主要有自然電位法(self-potential)、電阻率法(electrical resistivity)、探地雷達(dá)(Ground-Penetrating Radar，GPR)、激發(fā)極化法/頻譜激電/介電法(induced polarization/spectral induced polarization/complex conductivity)、磁法 (Electromagnetics)以及地震波(seismic)等.2.1 自然電位法

自然電位法是一種被動(dòng)方法，在不使用電源的條件下，測(cè)量介質(zhì)由于電化學(xué)性質(zhì)變化而產(chǎn)生的自然電場(chǎng)的地球物理方法.自然電位法經(jīng)常運(yùn)用于水文地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中監(jiān)測(cè)介質(zhì)中的流體流動(dòng).通過(guò)合理布置電極，測(cè)量電化學(xué)電位差、氧化還原電位差、流動(dòng)電位等，檢測(cè)地下微生物的氧化還原反應(yīng)活性，并可以指示出微生物活動(dòng)的發(fā)生地點(diǎn)和位置.

2.2 電阻率法

直流電阻率法是電法勘探的一種，測(cè)量介質(zhì)的直流電導(dǎo)率(σDC)，并基于目標(biāo)介質(zhì)電導(dǎo)率和周?chē)鷰r石電導(dǎo)率之間的巨大差異(可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí))來(lái)探測(cè)目標(biāo)的位置、移動(dòng)以及轉(zhuǎn)化等.電導(dǎo)率可隨礦物含量、成分、結(jié)構(gòu)、孔隙溶液濃度、孔隙度等因素變化.微生物活動(dòng)以及其代謝產(chǎn)物，如細(xì)胞吸附、生物膜形成、礦物沉淀溶解等，會(huì)使得微生物寄存的多孔介質(zhì)的電導(dǎo)率參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化.

2.3 激發(fā)極化法/頻譜激電/介電法

激發(fā)極化法是測(cè)量介質(zhì)激發(fā)極化效應(yīng)的一類(lèi)電法勘探方法.這種方法是在電流作用下以巖、礦石激發(fā)效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究大地激電效應(yīng)來(lái)探查地下地質(zhì)情況或解決某些水文地質(zhì)問(wèn)題的.激發(fā)極化方法又分為直流激發(fā)極化法(時(shí)間域法)和交流激發(fā)極化法(頻率域法).時(shí)域法測(cè)量電流脈沖關(guān)斷后的電勢(shì)衰減，而頻域法則通過(guò)逐次改變低頻段(一般小于10 kHz)交流供電的頻率，觀測(cè)隨頻率變化的復(fù)電導(dǎo)率(σ*)頻譜.復(fù)電導(dǎo)率由實(shí)部(σ′)和虛部(σ″)構(gòu)成，其中實(shí)部電導(dǎo)率反映了歐姆傳導(dǎo)電流消耗的能量，而虛部電導(dǎo)率反映了介質(zhì)極化儲(chǔ)存的能量.地質(zhì)介質(zhì)中孔隙的物理性質(zhì)由于微生物的活動(dòng)發(fā)生改變，復(fù)電阻率也會(huì)發(fā)生改變，激發(fā)極化法的測(cè)量參數(shù)包括極化率或充電率、時(shí)間常數(shù)和頻率相關(guān)因數(shù)等(Abdel Aal et al., 2009； Davis et al., 2006； Ntarlagiannis and Ferguson, 2009； Ntarlagiannis et al., 2005； Personna et al., 2008； Zhang et al., 2013, 2014).2.4 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)(1 MHz～1 GHz)，一般探測(cè)深度在30 m.探地雷達(dá)利用發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，通過(guò)接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的界面時(shí)發(fā)生反射，根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和到時(shí)的變化特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度等，可用于分析生物活動(dòng)引起的生物量變化和生物氣釋放等(Comaset al., 2008； Parsekian et al., 2011； Cassidy, 2007, 2008).

2.5 磁法

微生物的一些代謝活動(dòng)，如氧化還原過(guò)程和礦化過(guò)程，常伴隨著磁性礦物的生成與轉(zhuǎn)化.因此通過(guò)磁學(xué)分析，可監(jiān)測(cè)微生物的代謝過(guò)程.目前對(duì)生物成因磁性礦物的磁學(xué)分析主要包括等溫剩磁、非磁滯剩磁、磁滯回線、磁化率測(cè)量以及各種低溫磁學(xué)等方法.需要指出的是，巖石磁學(xué)方法能靈敏地反映微生物礦化生成磁性礦物，可用于無(wú)損、快速鑒定深部地質(zhì)樣品中微生物礦化的遺跡，然而這些方法多適用于實(shí)驗(yàn)室研究，目前僅磁化率可用于野外測(cè)量，且局限于表層或距離鉆孔壁數(shù)厘米的信號(hào)測(cè)量.

2.6 地震

地震法是指包括利用彈性波(壓縮波、剪切波和表面波)在地質(zhì)介質(zhì)中的傳遞速率及振動(dòng)幅值的變化對(duì)介質(zhì)屬性及成分進(jìn)行表征的一種方法.壓縮波與介質(zhì)及孔隙溶液的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)，剪切波則直接反映了巖體或土顆粒的骨架特征.微生物活動(dòng)所引發(fā)的礦物質(zhì)可使得介質(zhì)和孔隙的幾何形狀發(fā)生變化，進(jìn)而影響了介質(zhì)剛度屬性和彈性波等變化(DeJong et al., 2006).

地球物理成像技術(shù)可對(duì)微生物引起的近地表地質(zhì)環(huán)境的物理、化學(xué)特性變化進(jìn)行觀測(cè)和研究，這也正是生物地球物理這門(mén)新興分支學(xué)科研究的基礎(chǔ)和前提.對(duì)于地質(zhì)環(huán)境中微生物效應(yīng)及其對(duì)地球物理場(chǎng)的影響，可用圖1簡(jiǎn)單概括，詳細(xì)討論請(qǐng)見(jiàn)文獻(xiàn)(Atekwana and Slater, 2009).

圖1 微生物和地質(zhì)介質(zhì)的相互作用及與其相關(guān)的生物地球物理信號(hào)Fig.1 Interaction between microbial and geological medium and related geophysical responses

3 微生物活動(dòng)引起的地球物理信號(hào)

微生物的生長(zhǎng)活動(dòng)依賴(lài)諸多條件，例如溫度、pH值、地質(zhì)介質(zhì)的孔隙度和滲透率、營(yíng)養(yǎng)及代謝所需的電子供體和受體等.微生物對(duì)巖石物理特性的改造多種多樣，本文主要探討以下微生物過(guò)程是如何影響地質(zhì)介質(zhì)產(chǎn)生地球物理信號(hào)的.

3.1 微生物生長(zhǎng)以及生物膜形成

微生物的性質(zhì)-微生物細(xì)胞的細(xì)胞膜化學(xué)組成主要為雙層磷脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類(lèi).磷脂雙層構(gòu)成細(xì)胞膜，可視為雙電層.典型的雙電層的電勢(shì)分布如圖2所示.

圖2 典型的礦物表面雙電層示意圖Fig.2 Illustration of typical electrical-double layer of the mineral surface

絕大多數(shù)活細(xì)胞內(nèi)部聚集很多負(fù)電荷，負(fù)電荷又可吸引正電荷(主要為鉀離子).而細(xì)胞膜上具有多種離子通道和不同種類(lèi)的蛋白質(zhì)，使多種離子與蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜兩側(cè)不均勻分布，從而使細(xì)胞膜內(nèi)外產(chǎn)生電位差(膜電位).在外加電場(chǎng)作用下，電解液中的自由離子和細(xì)胞內(nèi)部的帶電電荷重新分布，沿外加電場(chǎng)的方向極化.此過(guò)程和多孔介質(zhì)中礦物表面的雙電層形成和極化非常相似.以球形微生物細(xì)胞為例，在溶液中細(xì)胞的雙電層介電模型和細(xì)胞電場(chǎng)效應(yīng)的等效模型可用圖3描述(Prodan et al., 2008；Revil et al., 2012).

微生物細(xì)胞的電容特性使得利用地球物理電法直接進(jìn)行微生物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)成為可能.由于這些表面電荷的遷移速率很慢，在低頻率下(低于10 kHz)，此極化現(xiàn)象非常明顯，多例研究顯示活細(xì)胞細(xì)菌液的介電常數(shù)可超過(guò)105(如Sarrafzadeh et al., 2005；Prodan and Prodan, 1999； Zhang et al., 2013, 2014； Stoy et al., 1982; Raicu et al., 1998).最新的生物地球物理研究同時(shí)也顯示，利用低頻頻譜激發(fā)極化法，可以捕捉到Desulfuriosvulgaris(環(huán)境中重要的硫酸鹽還原菌)，E.coli，Zymomonasmobilis(運(yùn)動(dòng)發(fā)酵菌)活細(xì)胞細(xì)菌液的介電常數(shù)，復(fù)電導(dǎo)率虛部(σ″)隨細(xì)胞濃度增加而不斷增大(Zhang et al.,2013, 2014; Prodan et al., 2004).而混合有Z.mobilis的沙粒介質(zhì)也表現(xiàn)出隨著混合微生物的濃度增大，極化反應(yīng)變強(qiáng)的特征(Zhang et al., 2014).不僅如此，通過(guò)監(jiān)測(cè)相同濃度D.vulgaris細(xì)菌液在不同生長(zhǎng)周期中的復(fù)電導(dǎo)率(σ*)變化，Zhang等(2013)發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率實(shí)部(σ′)以及介電常數(shù)(ε)都可用來(lái)表征微生物的不同生長(zhǎng)周期.近年來(lái)，關(guān)于在低頻下微生物、多孔介質(zhì)混合微生物的極化現(xiàn)象的物理理論模型也已建立(Prodan et al., 2008, Revil et al., 2012, Zhang et al., 2014, Prodan and Prodan, 1999).這些模型的構(gòu)建可以幫助我們進(jìn)一步解釋實(shí)驗(yàn)室和野外測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，并為在大尺度上實(shí)際應(yīng)用這些方法觀測(cè)微生物的生長(zhǎng)提供了理論和技術(shù)支持.Revil等(2012)、Zhang等(2014)工作以低頻中微生物的可電離層(Stern layer)的極化為前提，模擬了微生物生長(zhǎng)溶液和微生物在多孔介質(zhì)中的介電性質(zhì)(圖4).

盡管微生物可以以游離狀態(tài)自由生長(zhǎng)，但很多情況下它們附著在介質(zhì)表面以獲得更高濃度的養(yǎng)分并利用礦物作為能量來(lái)源(Costerton et al., 1995； Davis and Lüttge, 2005).微生物生物薄膜(biofilm)的生長(zhǎng)和形成在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、以及生態(tài)學(xué)上都具有重要意義.生物薄膜是指微生物菌體互相黏附一起或附著到一些材料表面，并由胞外多聚物基質(zhì)對(duì)其包埋的生長(zhǎng)狀態(tài).生物薄膜是微生物形成的與生存環(huán)境(包括定殖宿主)相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)(Hall-Stoodley et al., 2004).直觀上，生物薄膜的形成會(huì)改變土壤的地球物理屬性，比如占據(jù)介質(zhì)孔隙空間，造成寄主巖石孔隙被填塞、孔隙形態(tài)和孔徑大小的改變，從而導(dǎo)致孔隙率、滲透率、導(dǎo)水性等變化.這些變化可導(dǎo)致沉積物基質(zhì)的硬度、強(qiáng)度和彈性發(fā)生變化，從而有可能被地震波技術(shù)監(jiān)測(cè)到.由于生物薄膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生長(zhǎng)的非均勻性(O′Toole et al., 2000)，礦物顆粒和溶液電導(dǎo)率產(chǎn)生自然極化現(xiàn)象(Davis et al., 2006； Ntarlagiannis and Ferguson, 2009).Davis等(2006)的實(shí)驗(yàn)(圖5)表明在2 Hz下觀測(cè)到的極化(電導(dǎo)率虛部)峰值的出現(xiàn)與在環(huán)境掃描電子顯微鏡

圖3 球形細(xì)胞在細(xì)胞溶液當(dāng)中的有效介電模型(根據(jù)Prodan et al., 2008; Revil et al., 2012修改)Fig.3 Schematic representation of dielectric model of live cell bacterial suspension(revised from Prodan et al., 2008; Revil et al., 2012)

圖4 不同濃度的D. vulgaris細(xì)菌溶液的(a)復(fù)電導(dǎo)率實(shí)部的對(duì)數(shù)值和(b)有效電容率的對(duì)數(shù)值在20 mHz到1 MHz上的響應(yīng). 線段表示模型模擬結(jié)果，而點(diǎn)則是實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)(Revil et al., 2012).Fig.4 (a) Real conductivity (σ′), and (b) effective permittivity response over 20 mHz～1 MHz of D. vulgaris bacterial suspension at different concentrations. Solid lines indicate the model simulation and the dots are measured data points (Revil et al., 2012).

(ESEM)下觀測(cè)到的生物薄膜在沙柱中二氧化硅表面的形成以及沙?？可锬ゆ溄訝顟B(tài)相吻合.

Abdel Aal(2010)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明只有活細(xì)胞才會(huì)對(duì)觀測(cè)到的相位差或電導(dǎo)率虛部產(chǎn)生影響.Davis (2009)的實(shí)驗(yàn)使用聲波成像技術(shù)監(jiān)測(cè)到由Pseudomonasaeruginosa在沙柱中的生長(zhǎng)所導(dǎo)致的多孔介質(zhì)聲學(xué)特征的非均質(zhì)性.而近年來(lái)多個(gè)研究也表明，核磁共振(NMR)可有效觀測(cè)生物膜在地質(zhì)介質(zhì)中的生長(zhǎng)現(xiàn)象.與沒(méi)有生物薄膜生長(zhǎng)的參照柱對(duì)比，實(shí)驗(yàn)組中所產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)衰弱，而橫向弛豫時(shí)間T2也縮短(Codd et al., 2011； Hoskins et al., 1999； Sanderlin et al., 2013； Seymour et al., 2004； Zhang and Keating, 2015).圖6為兩個(gè)使用低磁場(chǎng)NMR(low-field/earth field NMR)的例子.

圖5 復(fù)電導(dǎo)率虛部σ″(a)和礦物顆粒表面細(xì)胞濃度(b)的變化.紅色為實(shí)驗(yàn)組，其余線段為對(duì)照組.環(huán)境電子掃描鏡(ESEM)得到的實(shí)驗(yàn)組沙柱(c)和對(duì)照組(d)的圖可明顯看出實(shí)驗(yàn)組中的微生物的生長(zhǎng)和在礦物表面的富集(Davis et al., 2006)Fig.5 (a) Polarization signal imaginary conductivity associated with (b) density of cells attached to mineral surface. Filled red circles are biostimulated column, and other symbols are control columns. ESEM images from (c) biostimulated column showing cell attachment/ biofilms and (d) control column clearly show the growth and accumulation of microbial on the mineral surfaces (Davis et al., 2006)

圖6 (a) NMR橫向弛豫時(shí)間T2在微生物生長(zhǎng)柱(紅色)和無(wú)微生物生長(zhǎng)的沙柱(綠色)中的變化(Sanderlin et al., 2012); (b) NMR橫向弛豫時(shí)間T2在三個(gè)不同微生物(Shewanella oneidensis)稀釋濃度——未稀釋1X (藍(lán)色), 一倍稀釋0.5X (綠色)、16倍稀釋 0.0625X (紅色)的沙柱中的變化(Zhang and Keating, 2015)Fig.6 (a) T2 relaxation time distribution from the low-field NMR for biofouled column and non-boifouled column (Sanderlin et al., 2012). (b) T2 relaxation time distribution from the low-field NMR for Shewanella oneidensis cell suspensions at different dilutions (concentrations): 1X (in blue), 0.5X (in green), and 0.0625X (in red) mixed with silica sands samples (Zhang and Keating, 2015)

這些研究表明地球物理技術(shù)對(duì)多孔介質(zhì)微生物生長(zhǎng)和生物薄膜的形成具有很高的敏感度，代表了生物地球物理學(xué)科邁出的顯著一步，同時(shí)也突出了地球物理方法用于野外觀測(cè)的顯著優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)應(yīng)用地球物理方法評(píng)估微生物采油，遠(yuǎn)程監(jiān)控生物膜反應(yīng)器用于污水處理，以及觀察二氧化碳封存中微生物的活動(dòng)等提供了廣闊的應(yīng)用前景.

3.2 微生物新陳代謝產(chǎn)物

微生物的新陳代謝被認(rèn)為是促使寄主巖石和礦物風(fēng)化的重要因素，比如微生物代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的生物氣、有機(jī)酸及活性劑可以促進(jìn)礦物的溶解沉淀和元素循環(huán)，加快巖石風(fēng)化速率等.因此土壤和沉積物的形成受到了微生物的深刻影響(Davis and Lüttge, 2005).礦物顆粒表面形貌、表面積、表面粗糙度、次生孔隙等也會(huì)因微生物的催化而加快變化.這些改造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的地球物理異常信號(hào).比如礦物的溶解或沉淀會(huì)改變孔隙溶液中的離子濃度，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化.孔隙率的改變可能會(huì)影響聲波在介質(zhì)中的傳播.此外，生物氣體的生成可以降低地質(zhì)介質(zhì)的電導(dǎo)率及增強(qiáng)地震波的信號(hào)吸收.

化學(xué)和生物變化引起的有機(jī)污染物成分的變化統(tǒng)稱(chēng)風(fēng)化(Atlas, 1981).地球物理性質(zhì)的變化在有機(jī)污染的環(huán)境當(dāng)中顯得尤其明顯.許多野外地球物理工作研究發(fā)現(xiàn)，微生物催化的有機(jī)污染物礦物風(fēng)化過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸和二氧化碳可以使孔隙溶液的電導(dǎo)率升高.這些孔隙電導(dǎo)率的變化可以直接導(dǎo)致介質(zhì)電導(dǎo)率的變化，且由此引起的異常能夠被電阻率法、頻譜激發(fā)極化法、探地雷達(dá)、電磁法以及自然電位法等探測(cè)到(Atekwana and Atekwana, 2010; Atekwana et al.,2000, 2004, 2006).Sauck等(1998)在美國(guó)密歇根古特斯密斯空軍基地，通過(guò)電阻率法和探地雷達(dá)觀測(cè)到有機(jī)物污染區(qū)域顯示出升高的電導(dǎo)率和減弱的探地雷達(dá)反射.對(duì)此處地下水樣品的研究也驗(yàn)證了生物污染和礦物風(fēng)化的發(fā)生.而之后Bradford等(2007)的研究也發(fā)現(xiàn)在同一地點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的減弱與污染物的擴(kuò)散直接相關(guān).相似的觀測(cè)結(jié)果也在Cassidy(2007, 2008)的實(shí)驗(yàn)中有所表現(xiàn)，并且作者還發(fā)現(xiàn)小于300 MHz的雷達(dá)信號(hào)衰減最明顯.Flores Orozco等(2012)在研究中使用頻譜激發(fā)極化法，在德國(guó)蔡茨(Zeitz)的一個(gè)氫化加工工廠污染區(qū)對(duì)BTEX(苯benzene、甲苯toluene、乙苯ethylbenzene、二甲苯xylene)的地下分布狀況進(jìn)行場(chǎng)地調(diào)查.對(duì)這個(gè)場(chǎng)地的前期調(diào)查表明，有氧和厭氧(硫酸鹽還原和甲烷氧化)的BTEX自然衰減持續(xù)進(jìn)行.作者發(fā)現(xiàn)高相位差區(qū)域?qū)?yīng)于低BTEX含量，頻譜有峰值，而低相位差區(qū)域?qū)?yīng)于高BTEX含量，頻譜無(wú)峰值.使用Debye分解的方法對(duì)完整頻域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著B(niǎo)TEX含量的增高，弛豫時(shí)間(τ)也增高，如圖7所示.

圖7 由時(shí)域激發(fā)極化法(TDIP)計(jì)算出的溝渠挖掘前(a)和挖掘后(b)的相位差(φ).黑色橫線指示地下水位，黑色點(diǎn)表示電極排放位置.從地下8到10 m的地下水采樣樣品中計(jì)算出的BTEX濃度分布如圖(c)所示(Flores Orozco et al., 2012).Fig.7 The calculated phase changes from TDIP data collected before (a) and after (b) excavation of trench. Solid black line represents ground water table, black dots represent electrodepositions. A plot of the BTEX concentrations measured in groundwater samples is shown in (c) (Flores Orozco et al., 2012).

這與Cassiani (2009)的實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的弛豫時(shí)間隨非溶解相液態(tài)污染物NAPL(辛醇o(jì)ctanol)在樣品中溶解度增高而延長(zhǎng)的結(jié)果吻合.而Johnson等(2010)利用三維井間高密度電法(cross borehole ERT)，對(duì)美國(guó)馬里蘭Brandywinede的一個(gè)微生物修復(fù)氯化溶劑(chlorinated solvent)場(chǎng)地的空間電導(dǎo)率的變化進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三年的自動(dòng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，得到了場(chǎng)地電導(dǎo)率的四維變化(圖8).

圖8 四維ERT在美國(guó)馬里蘭Brandywine監(jiān)測(cè)污染物的微生物修復(fù).圖中電導(dǎo)率(bulk conductivity)在第2天到第371天的變化與注入的富含鈉離子的乳酸的滲入、擴(kuò)散和稀釋過(guò)程一致.而第371到762天的變化則間接反映了系統(tǒng)中由于微生物作用離子濃度增加、FeS沉淀的過(guò)程(Johnson et al., 2010; Singha et al., 2014)Fig.8 4-dimension ERT monitoring duringenhanced bioremediation at a monitoring site in Brandywine, Maryland (USA). The changes of bulk conductivity are consistent with the fluid conductivity changes during sodium lactate amendment injection, sinking, and spreading processesfrom day 2 to day 371. The significant secondary increase in conductivity was observed from day 371 to day 762 resulting from FeS precipitation and increased microbial activity (Johnson et al., 2010;Singha et al., 2014)

另外一類(lèi)微生物的代謝產(chǎn)物包括生物生成氣，其中有二氧化碳、甲烷、硫化氫以及氫氣.這些氣體同樣能夠改變地質(zhì)環(huán)境中的地球物理特性.例如，在厭氧泥炭地土壤中，在古細(xì)菌作用下可產(chǎn)大量甲烷自由氣體，而這些過(guò)程可以用探地雷達(dá)在實(shí)驗(yàn)室或野外進(jìn)行檢測(cè)(Parsekian et al., 2011; Comas et al., 2008).Parsekian等(2011)在美國(guó)明尼蘇達(dá)的野外調(diào)查結(jié)果表明，探地雷達(dá)可用來(lái)估算泥炭地中氣體含量的分布.這些研究表明生物地球物理方法可以用來(lái)監(jiān)測(cè)溫室氣體的排放，如圖9所示.

3.3 微生物誘導(dǎo)礦物沉淀和溶解

在以厭氧為主的各類(lèi)地下環(huán)境中，微生物對(duì)元素的遷移和礦物轉(zhuǎn)化等起著重要作用.比如海洋底物、地下水、土壤和污泥中異化硫還原菌和鐵還原菌分別對(duì)硫、鐵乃至碳的代謝循環(huán)有著關(guān)鍵的影響.硫酸根經(jīng)硫還原菌還原為具有很強(qiáng)還原能力的硫化氫，而大量實(shí)驗(yàn)顯示，生物成因的硫化氫能夠通過(guò)吸附或者沉淀作用將廢水和被污染土壤中重金屬變成不可游離的狀態(tài)，從而達(dá)到有效回收和治理清除的目的.這些生物誘導(dǎo)的礦物沉淀過(guò)程從根本上改變了礦物表面的物理化學(xué)特性，其中有三類(lèi)我們已熟知的反應(yīng)直接影響到環(huán)境工程治理中利用微生物修復(fù)和降解污染物.這三類(lèi)反應(yīng)分別是：1)尿素分解細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀；2)硫酸鹽還原菌(SRB)作用下金屬硫化物的形成；3)鐵還原微生物異化還原鐵形成次生鐵礦物.在此，我們用幾個(gè)研究示例來(lái)探討利用地球物理方法測(cè)量上述微生物引導(dǎo)的礦物沉淀過(guò)程.

圖9 根據(jù)GPR數(shù)據(jù)計(jì)算出的Sturgeon River Bog二維氣體分布模型.深度軸根據(jù)在該地雷達(dá)平均移動(dòng)速度計(jì)算(0.038 m·ns-1)，下部的灰色表示由普通抵消(common offset)雷達(dá)圖計(jì)算出的土壤地形(Parsekian et al., 2011)Fig.9 The 2-D model of gas distribution in the subsurface below the GPR transect at Sturgeon River Bog. The mineral soil topography was determined from the common offset radargram and is represented by the gray area at the bottom. The depth axis was calculated from the travel time using the average velocity of radar at the site 0.038 m·ns-1 (Parsekian et al., 2011)

圖10 在酶化反應(yīng)下碳酸鈣和金屬(以鍶Sr為例)的共同沉淀過(guò)程Fig.10 CaCO3precipitation and the co-precipitation of metal (e.g., Sr) mediated byurease hydrolysis

圖11 (a) 復(fù)電導(dǎo)率實(shí)部(σ′)和溶液電導(dǎo)率(σf)；(b) 復(fù)電導(dǎo)率虛部(σ″)以及pH在整個(gè)酶化碳酸鈣沉淀實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同區(qū)域隨時(shí)間的變化.從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到544 min是實(shí)驗(yàn)的第一階段尿素注射，之后緊接著進(jìn)入尿素、Ca2+、 Sr2+的混合注射階段.復(fù)電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)取自100 Hz (Zhang et al., 2012)Fig.11 (a) The evolution of the real part of the complex electrical conductivity (σ′) and the evolution of the electrical conductivity of the solution (σf) with time in the preurease, urease, and posturease zones during ureolytically driven mineral precipitation experiment; (b) The evolution of the imaginary part of the complex electrical conductivity (σ″) and the evolution of pH during the same process. The urea injection stage occurred from 0 to 544 min (Stage 1), followed by the coinjection of urea, Ca2+, and Sr2+ (Stage 2) began until the end of the experiment, and the two stages are separated by the vertical line. The complex conductivity σ* data are from 100 Hz (Zhang et al., 2012)

鐵還原細(xì)菌產(chǎn)生的二價(jià)鐵可促進(jìn)次生礦物如隕鐵、磁鐵礦和針鐵礦(Fredrickson et al., 1998； Benner et al., 2002).而硫酸鹽還原菌所產(chǎn)生的硫化物可與二價(jià)鐵反應(yīng)生成硫化鐵礦物.利用這個(gè)礦物沉淀過(guò)程可去除環(huán)境中的許多污染物，如礦山廢水、重金屬和核廢料污染等，因而在環(huán)境污染的微生物治理中具有廣闊的應(yīng)用前景.為了有效實(shí)施對(duì)污染區(qū)域的修復(fù)，我們需要有效的檢測(cè)手段用來(lái)評(píng)估微生物污染修復(fù)的過(guò)程.而地球物理手段對(duì)這些過(guò)程的敏感性可使我們將這些方法應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室和野外的觀測(cè)中.大量實(shí)驗(yàn)室的沙柱實(shí)驗(yàn)表明(Personna et al., 2008； Williams et al., 2005)，在微生物誘導(dǎo)的硫化金屬物(硫化鋅和硫化鐵)的沉淀過(guò)程中，電信號(hào)和地震波信號(hào)都有明顯變化.而低頻頻譜激發(fā)極化法的復(fù)電導(dǎo)率變化能夠很好地追蹤在SRB(D.vulgaris)作用下硫化鐵(FeS)的沉淀和溶解.而極化信號(hào)的強(qiáng)度則直接與介質(zhì)-金屬礦物混合物中的比表面積(Spor)相關(guān)，如圖12所示.

圖12 相位差隨時(shí)間的變化(根據(jù)Personna et al., 2008修改)(a)厭氧過(guò)程中FeS的生物沉淀過(guò)程使相位差增大；(b)轉(zhuǎn)化到有氧條件下的相位差變化；(c)由厭氧到有氧，可逆轉(zhuǎn)的弛豫時(shí)間(τ)的變化；(d)電子掃描鏡下的D.vulgaris生物礦物和被生物膜生長(zhǎng)所覆蓋的沙子顆粒表面.Fig.12 Phase shifts as a function of time (revised fromPersonna et al., 2008)(a) FeS biomineralization induced by an anaerobic transition difference with time; (b) Mineral dissolution (aerobics transition); (c) The biomineralization response is largely reversible during anaerobic to aerobic transition as shown from the behavior of modeled Cole-Cole parameters (normalized chargeability mn, and time constant τ); (d) SEM images for samples extracted from the experiment showing rod shape D. vulgaris biominerals and the sand particle encrusted with biomineralization accumulation.

美國(guó)能源部在清理科羅拉多州Rifle一處停產(chǎn)的鈾礦渣廠時(shí)，在地下水中注入醋酸以刺激鐵還原微生物(Geobacter)生長(zhǎng)，從而修復(fù)鈾污染(William et al., 2009).醋酸注射前后極化相位的反演結(jié)果表明微生物改造區(qū)域存在明顯的相位異常.這些變化與細(xì)菌還原鐵和硫酸鹽, 以及硫化物沉淀作用有關(guān)，如圖13所示.

圖13 由時(shí)域激發(fā)極化法反演出的相位差(φ)在Rifle鈾礦渣生物修復(fù)處理場(chǎng)注入醋酸后0、30和57天的變化.微生物刺激區(qū)出現(xiàn)明顯增大的相位差Fig.13 Inverted phase angle (φ) results from induced polarization data after 0, 30, and 57 days of acetate amendment injection experiment at U.S. Department of Energy′s Rifle Integrated Field Research Challenge site designed to promote uranium removal through stimulation of iron-reducing bacteria. A significant increase of the phase difference occurred in the zone with bio-stimulation

4 結(jié)論和展望

生物地球物理方法具有地球微生物學(xué)研究方法所不具備的優(yōu)勢(shì).和傳統(tǒng)采樣研究相比，把地球物理方法運(yùn)用到觀察微生物和地質(zhì)介質(zhì)相互作用中，研究人員可以在對(duì)系統(tǒng)最小干擾的形式下得到覆蓋面

積廣的高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)，從而能在更大尺度上研究微生物的活動(dòng)以及礦物的變化.生物地球物理方法把微生物對(duì)地質(zhì)改造過(guò)程的研究范圍拓展至地下三維空間，從而對(duì)比如工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)和微生物采油等實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)行有效監(jiān)測(cè).但我們需要注意到，類(lèi)似于其他地球物理技術(shù)，生物地球物理方法的觀測(cè)結(jié)果有不確定性，建模過(guò)程復(fù)雜，解不唯一.而微生物和地質(zhì)環(huán)境的相互作用異常復(fù)雜，我們?cè)诮忉層^測(cè)到的地球物理信號(hào)/異常時(shí)需要謹(jǐn)慎并考慮全面.在這個(gè)剛起步的研究領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)室的模擬研究、物理模型的建立等非常重要.我國(guó)的相關(guān)生物地球物理研究剛剛展開(kāi)，我們需要圍繞重要的科學(xué)問(wèn)題，聯(lián)合生物地球化學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科，利用現(xiàn)代地球物理監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)(多種技術(shù)綜合運(yùn)用、自動(dòng)化、多通道、高密度等)，大力提高這個(gè)新興研究領(lǐng)域的能力和水平，進(jìn)一步提升對(duì)淺地表環(huán)境中的各種復(fù)雜地質(zhì)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為人類(lèi)和環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn).

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(本文編輯 何燕)

Biogeophysics: Geophysical characterization of biogeochemical processes in the subsurface

ZHANG Chi1， DONG Yi2

1DepartmentofGeology,UniversityofKansas,Lawerence,Kansas66045,USA2DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,ColoradoSchoolofMines,Golden,Colorado80401,USA

Microorganisms are involved in a variety of geologic processes that change the physical and chemical properties of their environment. Understanding the microbial interactions with geologic media is very important to successful implementation of near-surface applications such as remediation of soils and groundwater contaminations. Geophysical imaging techniques have the potential to measure and characterize not just the physiochemical properties in the subsurface as already well established, but also microbes, microbial processes, and microbe-mineral interactions.Biogeophysics is an emerging sub-discipline of exploration geophysics focusing on the geophysical signatures resulting from microbial interactions with geologic media that integrates microbiology, biogeoscience, and geophysics (Atekwana and Slater 2009). Biogeophysics research performed over the past decade has shown the unique characteristics of geophysical methods (e.g., minimal invasion, spatiotemporal continuity, and broad scales) and has confirmed the potential of geophysical methods to investigate microbial activities in subsurface environments over diverse spatial and temporal scales.This review provides the background and development of biogeophysics and the current key topics in this field. We first outline a range of geophysical methods that have been used effectively in biogeophysics research, such as self-potential, electrical resistivity, induced polarization, ground penetration radar, electromagnetics, and seismic. Then we review the alternations of petrophysical properties induced by microorganisms and the associated geophysical responses. Finally, we conclude by discussing opportunities, challenges, and potential new applications of biogeophysics.

Biogeophysics; Geophysical methods characterization; Microbial process; Biogeochemical process; Microbe-mineral interaction

張弛，E-mail:chizhang@ku.edu

10.6038/cjg20150809.

10.6038/cjg20150809

P631

2015-08-06，2015-08-18收修定稿

張弛，董毅. 2015. 生物地球物理:地球物理方法在研究生物地球化學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用和發(fā)展.地球物理學(xué)報(bào)，58(8):2718-2729,

Zhang C, Dong Y. 2015. Biogeophysics: Geophysical characterization of biogeochemical processes in the subsurface.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2718-2729,doi:10.6038/cjg20150809.