珠江口桂山岛沉积物甲烷厌氧氧化作用研究

系统分析了珠江口桂山岛沉积物间隙水甲烷和硫酸盐、pH和溶解无机碳(DIC)以及δ13C-CH4和δ13C-DIC的垂直剖面分布.结果显示:间隙水硫酸盐浓度呈线性梯度减小,至沉积物SMI(sulfate-methane interface)附近,硫酸盐几乎全部消耗而甲烷浓度急剧增大,与此同时,间隙水pH和DIC在该深度位置明显升高.间隙水地球化学特征揭示了沉积物发生了甲烷厌氧氧化(AOM)作用.在AOM过程中,由于12CH4氧化速率较13CH4快,故引起沉积物间隙水剩余甲烷的碳同位素偏重,而δ13C-DIC值变为极负.由扩散公式计算结果可知,AOM消耗沉积物间隙水硫酸盐占总硫酸盐的比例为58.6%,该过程产生的DIC占间隙水总DIC的比例为41.4%.沉积物有机质的活性及含量大小对AOM作用的发生及其强度有重要的影响,该研究区沉积物活性有机质(主要为海洋来源)在沉积物表层通过矿化分解作用消耗,从而导致进入沉积物硫酸盐还原带底部的活性有机质数量减少,在该条件下,部分硫酸盐将转为与甲烷反应消耗,从而引发AOM.     

基于近岸系列分层竖井的海底地下水排泄及其营养盐输入研究

以广西北海市近岸系列分层竖井为研究对象,通过现场地下水监测和采样分析,结果显示竖井含水层整体上为靠近海边咸化明显,其中I承压水咸化程度较大,咸化程度差异主要受海水入侵及海水高位养殖影响。地下水SiO₃-Si由于受“盐效应”影响导致其自内陆向海岸浓度升高,而低含量的PO₄-P含量可能是铁氧化物的吸附清除作用引起的;潜水层中的NH₄-N和NO_x-N含量整体高于承压水的,高位养殖池塘水的下渗造成NH₄-N在近海岸的潜水层含量最高,而NO_x-N受反硝化过程影响,导致自内陆至海岸明显减小。研究区地下水氮磷比（N/P）平均值为595.85,高N/P比值地下水排泄进入海洋,将促进浮游生物营养盐结构由N限制转向P限制。     

东海潮间带埋藏古木影响下的Fe-S矿物特征

中国东海舟山群岛的潮间带存在一处距今5600年左右的古木堆积层. 对采自该潮间带的新鲜基岩样品、海岸风化壳剖面、海岸带渗滤水系统、埋藏古木渗滤水、潮间带沉积物、潮间带海水、岛上淡水和埋藏古木以及埋藏古木形成的泥炭质等潮间带环境介质进行元素地球化学分析, 对海岸带渗滤水系统中的细菌成因铁氧化物和潮间带沉积物进行了详细的透射电子显微镜-选区电子衍射分析, 并对埋藏古木形成的泥炭质和潮间带海滩泥的无机硫组成及其硫同位素组成进行了测定. 结果显示, 该潮间带环境介质出现了不同程度的Fe, Mn, S (SO^2-₄)富集, 是埋藏古木腐烂发酵对潮间带的Fe-S生物地球化学循环产生影响的结果. 透射电子显微镜-选区电子衍射分析结果不仅证实铁细菌和硫酸盐还原菌在该潮间带环境中的大量存在、参与了Fe-S循环过程, 而且诱导了胞外成矿作用. 潮间带海滩泥中高的铬还原性硫(FeS₂)含量和低的特征δ ³⁴S值(?2.9‰)不仅可能指示了潮间带沉积物中大量硫酸盐还原菌的存在, 而且可能显示其中的铁硫矿物是在高的硫酸盐还原速率条件下形成的. 本研究对于深刻认识潮间带、河口和近海岸带等高有机质累积速率和高硫酸盐还原速率条件下Fe-S生物地球化学循环和生物成矿特征具有重要的意义.     

浙江舟山海岸带渗漏水沉淀铁泥中的微生物矿化作用

运用现代微观研究手段(扫描电镜及透射电镜), 结合传统地质地球化学的研究方法, 对浙江舟山古木埋藏环境下的海岸带渗漏水沉淀铁泥中的微生物矿化作用进行了研究, 结果显示在铁泥中存在大量的嗜中性铁氧化菌, 其形貌特征与长杆形鞘状铁氧化菌Leptothrix ochracea和螺旋形鞘状铁氧化菌Gallionella ferruginea极为相似, 且这两种类型的铁氧化菌丰度的分布明显受水体的物理化学组成的制约. 铁氧化菌细胞表面的有机官能团、胞外聚合物和特殊的反应表面, 为渗漏地下水中成矿元素在细胞附近的富集沉淀提供了合适的成核位置和成核模板. 同时, 铁细菌在矿化过程中经历不同的阶段, 即从细胞壁表面矿化、细胞内部部分矿化直至整个细胞完全被矿化. 铁氧化菌的矿化产物主要为隐晶质的水铁矿, 由于该铁细菌的矿化产物包含铁氧化物和细菌有机质, 加剧了金属元素尤其是Fe, Co的富集作用, 故对地下水环境中金属元素的迁移和归宿产生重要影响.     

大西洋洋中脊Logatchev热液场水柱中甲烷羽状流的探测

利用吹扫捕集法在“大洋一号”船上现场探测到Logatchev热液场水柱上方及附近存在明显的甲烷羽状流. 测定结果显示, 热液区海水甲烷背景含量为1.05~1.68 nmol/L, 明显高于大西洋深海平原正常海水甲烷背景值(0.4~0.5 nmol/L), 表明热液系统是海水溶解甲烷的重要来源之一; 在垂直剖面上, 甲烷含量最大异常值的变化范围为7.14~113.90 nmol/L, 其对应的水深为离海底180~500 m. 羽状流中甲烷浓度分布以及羽状流的结构特征可能受下方热液喷发供应、洋流混合和微生物氧化消耗等过程控制. 另外, MAR-CTD3站甲烷的分布规律明显不同于其他站位, 可能暗示周围存在新的热液喷口. 探测到甲烷羽状流之处同时还伴随温度和浊度的异常, 有力证明了甲烷羽状流的存在是找寻海底热液活动地点最有效的手段之一.     

甲烷厌氧氧化作用: 来自珠江口淇澳岛海岸带沉积物间隙水的地球化学证据

对珠江口淇澳岛海岸带沉积物间隙水中甲烷、硫酸盐、CH4-δ ¹³C和SCO2-δ ¹³C的地球化学参数垂直剖面特征的研究结果显示: 甲烷浓度梯度在硫酸盐还原带底部急剧增大, 而间隙水硫酸盐浓度随深度呈线性降低; 在硫酸盐-甲烷转换带(SMT)中, 甲烷碳同位素逐渐变重, 并引起间隙水SCO₂-δ ¹³C值变为极负.间隙水地球化学参数的变化特征提供了该区域沉积物中存在AOM作用的证据.根据数学模型计算出的三个站位甲烷厌氧氧化速率和硫酸盐还原速率, 可知AOM消耗的硫酸盐占总硫酸盐损耗的比例分别为9.0%, 84%和45.5%, 对应的AOM产生的ΣCO₂占总CO₂的比例分别为4.7%, 72.4%和29.45%.有机质的输入量的大小影响沉积物底部甲烷浓度、扩散通量及SMT分布.较高的有机质输入量一方面有利于加速间隙水硫酸盐通过有机质矿化分解作用损耗, 另一方面引起进入SMT的甲烷扩散通量增大, 使得AOM过程硫酸盐的消耗量相应增大, 结果造成SMT向沉积物表层上移.     

5600年形成的石化木

化石通常赋存在年代久远的地层中,其形成所需的时间是一个尚不清楚的问题．对浙江省朱家尖岛发现的“石化木”——一种形似珊瑚的铁、锰质岩石,进行了元素地球化学、微生物矿物学等的研究,发现它们是在微生物成矿作用下,经Fe,Mn分异和矿化过程形成的．“石化木”炭芯年龄为5600 cal yr BP,这表明,该石化木正在进行化石化的过程,可能是迄今为止发现的最年轻的石化木．该发现对于解释这种自然现象并说明地球历史时期的化石及其形成过程和外生铁、锰矿床的成因有重要意义．     

中印度洋洋脊Edmond热液场Fe, Si沉淀与微生物的关系

在中印度洋洋脊Edmond热液场瘤状结构体内壁发现了数毫米厚的浅黄褐色-白色微生物席. 这些微生物席内生存着多种长杆、短杆和螺旋杆状微生物, 其共同特征是微生物表面被厚的矿质层所包 裹. 能谱化学分析表明, 微生物表面的矿质层由大量二氧化硅和少量铁氧化物组成. 透射电子显微镜分析发现, 针状含铁物质不但非均匀地吸附在微生物细胞壁表面, 亦在微生物细胞内物质中沉淀, 说明铁在细胞壁表面和细胞内物质中均发生了一定程度的生物富集. 席中微生物的硅化以二氧化硅聚合物在微生物表面的均匀沉淀以及硅叠层的定向排列为特征, 二氧化硅在微生物表面的沉淀可能主要受热液无机沉淀过程所控制. Edmond热液场中微生物席中微生物硅化和铁化现象的发现, 表明该热液场中部分二氧化硅和铁的沉淀过程与微生物密切相关. 由于热液活动提供了微生物成矿过程所必需的成矿元素来源, 这种微生物成矿作用实际上在一定程度上受洋底热液活动所驱动.     

热液管状蠕虫的早期矿化机制及微生物在矿化过程中的作用

热液喷口动物群是现代海底热液体系的重要组成部分, 它们依赖于热液无机环境生存, 与无机环境之间存在着密切的相互作用, 并可参与现代热液点的成矿过程. 热液喷口动物群(特别是Vestimentiferan和Polychaete管状蠕虫)矿化后的产物常以化石的形式保存于各时代的地质体中. 开展热液大型动物的早期矿化过程研究, 对于理解热液环境中矿物与生物的相互作用以及地质化石的形成和保存机制具有重要的意义. 以胡安·德富卡洋脊热液场中采集的管状蠕虫Vestimentiferan Ridgeia piscesae为对象, 对它的早期生物矿化特征和机制进行了研究. 研究表明, 大量的丝状微生物不均匀地分布在Ridgeia piscesae管状蠕虫的内壁表面和壁内空隙层中, 并在一些部位形成微生物薄层. 微生物细胞表面和降解后的产物在管状蠕虫矿化早期起着重要的作用. 在矿化程度较低的管状蠕虫管壁, 普遍发现有半透明的含硫有机质薄层和球粒状颗粒硫的存在. 这种含硫有机薄层的降解产物在管状蠕虫早期矿化过程中的作用可能同样不容忽视. 微区化学分析表明, 管状蠕虫管壁对成矿元素的富集具有选择性, 主要从周围热液环境中富集Fe, P, Ca和Si等元素, Fe与P, Ca和Si等元素具有共变关系. 由于S主要来源于管状蠕虫组织体中共生微生物对H₂S的生物氧化的作用, 它可作为研究管状蠕虫管壁矿化过程的一种很好的生物标志物. 根据不同矿化程度管状蠕虫的矿化特征, 提出管状蠕虫的早期矿化过程主要受微生物诱导生物矿化作用和管壁降解生物矿化作用控制.     

热泉微生物的矿化作用和机制: 来自华南富硅热泉光合自养微生物席中的证据

热泉微生物是地球极端生命体的重要表现形式, 它们不但对于研究地球生命起源和生命演化意义重大, 而且在地球成矿过程中发挥了重要作用. 以采自中国广东省境内两处热泉光合自养微生物席为研究对象, 运用地质学和现代生物学的微观研究方法, 对其中的微生物矿化作用和机制进行了研究. 结果表明, 热泉微生物席对Si, Al, Fe和Ca等多种元素具有重要的富集能力, 在SiO₂, CaCO₃和黏土等热泉矿物形成过程中所起的作用不容忽视. 胞外聚合物质(EPS)在热泉微生物矿化过程中扮演了重要的角色, 矿化过程主要限制在蓝细菌细胞壁外或鞘层外的EPS层中发生. 细菌壁外发育的鞘层同样对于蓝细菌的生物矿化意义重大. 由于鞘层的存在, 一些蓝细菌在表面矿化发生的同时, 还能进行正常的新陈代谢活动. 根据两处微生物席的多种矿化特征, 提出将热泉微生物席的矿化过程划分为早期表面矿化、中期降解矿化和晚期矿物脱落等3个阶段. 上述认识, 对于理解发生在现代和古代热泉环境中的矿化过程、沉积过程以及微化石保存过程均具有重要的意义.