趋磁细菌磁小体的生物矿化作用和磁学性质研究进展

趋磁细菌磁小体研究是揭示生物矿化作用和探索生物活动与地磁场之间联系的重要研究内容。细菌成因的磁铁矿颗粒也是部分湖泊和海洋沉积物磁性的主要载体。本文将在介绍趋磁细菌基础上，重点评述磁小体形成过程研究、磁测量技术、沉积物中化石磁小体的识别方法、环境指示意义等方面的新进展，并简要展望未来磁小体研究及其应用前景。     

我国趋磁细菌的分布及其磁小体的研究

1975年,美国生物学家Blakemore首次发现趋磁细菌(Magnetotactic bacterium).随后一些学者不断从各地的淡水池塘、河流、海洋沉积物表层及潮湿的草原土壤中分离到各种形态的趋磁菌(球形、杆形、弧形、螺旋形).在北半球分离到的趋磁菌会伺地理北极(即地磁南极S)游动;在南半球趋磁菌则趋向地理南极(即地磁北极N)泳动;在赤道附近则既有趋向S极,也有趋向N极的.趋磁菌为微好氧菌,革兰氏染色阴性(Gˉ),生有端生或丛生鞭毛,其对磁场的反应敏感是由于体内含有排成链状或散列的磁小体(magnetosomes).这些磁小体具有重要的应用价值.近年来,美、英、德、日本等国的学者竞相开展研究,1991年日本的Matsunaga等人又分离出好氧生长的趋磁细菌.目前在我国趋磁细菌的研究很少,国内外更无黄土趋磁细菌的报道.本文就我国淡水湖泊及西安段家坡黄土等土壤中趋磁菌的分布、生物学及培养特征、磁小体的特性作一报道。     

北京北安河地表沉积物的岩石磁学特征及环境意义

地表沉积物的磁性能够记录自然环境变化以及人类活动对环境的影响. 北京北安河地表沉积物的类型为全新世洪积、湖积粉砂和黏土. 岩石磁学研究表明这些沉积物中的磁性矿物以磁铁矿、赤铁矿和磁黄铁矿为主. 该剖面磁参数变化特征和已报道的北京其他区域的典型污染剖面显著不同, 例如, 磁化率和饱和等温剩磁随剖面深度增大而逐渐减小, 表明研究剖面的沉积物中磁性矿物的浓度从地表向深处逐渐降低. ARM/SIRM等指示磁性矿物粒度的磁参数的值从上往下逐渐增大, 表明磁颗粒粒度向下逐渐变细. 磁黄铁矿从22 cm深度处往下突然出现, 指示了沉积剖面中存在氧化-还原界面. 因此, 北安河地区地表沉积物的磁性变化受控于还原成岩作用和成壤作用两种地质过程. 这为在北京地区利用磁性来调查污染状况提供了一个可供参考的“基准点”.     

磁化率各向异性揭示的日本海Ulleung盆地浊流沉积和氧化-还原条件下的底流演化

日本海Ulleung海盆南部陆坡岩芯7.31m以上的磁化率椭球体长、中轴正交分布在水平投影面上,短轴近似垂直分布.7.31m以下,磁化率椭球体3个特征轴杂乱分布,此时形状因子也显示异常高值,表明下部沉积物的原始结构已经被破坏.该界线与X射线影像吻合.已有测年结果表明上部7.31m的年龄为48kaBP.48kaBP以来日本海南部沉积物磁各向异性不发育,各向异性度为1～1.08,与磁面理显著相关,与磁线理不相关,说明沉积物磁性矿物颗粒形状或排列方式以扁圆状为主,是典型的原始沉积组构.综合磁性矿物组成、粒度和含量变化特征,确定了至少5个氧化-还原层偶,还原层的磁铁矿有遭受溶解的迹象,但磁学性质保留了绝大部分原始信号.磁化率椭球体的方向和各向异性度在千年尺度气候期内发生了相应的变化.DO1-BA-YD事件发生时短轴明显向不同方向倾斜,指示此时水动力的增强和方向多变;此时正是西太平洋海面急剧上升期和全球冰融水MWP1A事件发生时;其他时段内的长轴或短轴倾斜指示底流方向为NE-SW或NW-SE,而最近4.5kaBP以来短轴向NE方向的倾斜与实测东-北东方向底流一致.磁化率各向异性对气候变化的响应说明,早期成岩作用对磁信号...     

趋磁细菌Magnetospirillum magneticum AMB-1全细胞和纯化磁小体的磁学比较研究

趋磁细菌磁小体化石是湖泊海洋沉积物的重要磁性载体和古环境替代性指标. 对纯培养趋磁细菌Magnetospirillum magneticum AMB-1的全细胞样品和纯化磁小体样品的磁学和电子显微镜分析结果表明: AMB-1合成的磁小体是单畴磁铁矿, 它们在胞内呈片段状的单链排列(由3~5条短链组成). 全细胞和纯化磁小体样品之间的磁学性质的显著差异主要由静磁相互作用(与磁小体的空间排列有关)造成. 对于全细胞样品, 链内磁小体间的静磁相互作用强, 而链间的静磁相互作用弱, 其?比值为3.0; 对于纯化磁小体样品, 磁小体链的坍塌聚集导致链间和颗粒间的静磁相互作用都明显增强, 导致样品的矫顽力降低, ?比值降至1.5. 这些结果对于认识磁小体化石的古地磁学和环境磁学意义以及拓展磁小体在生物材料方面的应用具有参考价值.     

细菌鞭毛推进器复杂的蛋白组成和精致的空间结构

鞭毛推进游动是细菌寻找最佳营养源的有效运动方式之一.细菌鞭毛由鞭毛基体、鞭毛钩和鞭毛丝3部分构成,该结构的合成和组装由50多个基因参与,是在精密的时、空调控下进行的生物过程.对鞭毛结构和功能的认知主要源自对几个常见模式细菌的研究.近期,针对海洋趋磁细菌的研究结果揭示了一种新型鞭毛运动器官复杂的蛋白组成及其高度精致的空间结构.12种鞭毛蛋白经不同程度的糖基化修饰后装配成7根鞭毛,并与24根纤毛在一个鞭毛鞘中排列成7个相互交织的六角形阵列.目前,这种鞭毛结构只在海洋趋磁球菌中观察到,推测是这类细菌为了适应海洋沉积物生境,经生态分化演变的结果.这种精巧的结构对现有的鞭毛组装和运行机制模型提出了挑战,并将推进今后对细菌表面附属物的装配与演化的深入研究.     

南海南部YSJD-86GC孔沉积物磁性特征及其环境意义

选取位于南海南部的YSJD-86GC(简称86GC)孔沉积物柱状样进行环境磁学研究,结合已发表的年代框架,揭示MIS3阶段以来沉积物的磁学变化特征.岩石磁学结果表明钻孔沉积物以低矫顽力的磁铁矿类矿物为主要携磁矿物,同时存在部分赤铁矿.反映磁性颗粒大小的King图和Day图表明沉积物中磁性矿物以细粒伪单畴为主.磁学参数与地球化学指标剖面变化的对比分析表明86GC孔沉积物磁性特征反映的是陆源物质的信息;研究钻孔沉积物的磁学性质同时受陆源物质输入量、物源区的氧化-还原条件及搬运环境和距离等多种因素共同影响.全球气候变化引起的海平面升降是导致研究钻孔沉积物中磁性矿物含量和磁性颗粒大小变化的主要原因,沉积物磁学性质的变化可间接指示本地区的海平面升降.     

环境磁学及其应用

环境磁学主要是研究不同时间和空间尺度的环境与相应固体物质的磁性之间的相互关系,即根据沉积物所含矿物表现的各种磁行为,通过磁参数的测量、比较和分析,并结合其他相标志来说明环境的变化。     

西藏纳木错全新世沉积物的环境磁学参数变化机理

青藏高原的高分辨环境记录对于理解全球气候与环境变化至关重要.湖泊沉积物的磁学参数能够记录沉积环境和古气候信息.纳木错是西南季风过渡区大湖的典型代表,前人在该湖开展了大量地球化学、微体化石、沉积学和生物化学分析,极大地推动了该区古气候环境的重建工作.但迄今为止,还缺乏对纳木错湖泊沉积物系统的环境磁学研究.因此,本文选取纳木错湖芯NC08/01孔全新世以来(11.3calkaBP)的湖泊沉积物进行详细的岩石磁学与环境磁学研究,结合地球化学指标,在明确的气候背景下探讨该湖沉积物磁性参数的变化机制.结果表明,纳木错全新世沉积物的磁性参数受到陆源磁性矿物输入、还原溶解作用和磁细菌活动的共同影响.根据各磁学参数系统的变化趋势,可将该研究段样品分为3段:第Ⅰ段(236～199cm,11.3～7.8calkaBP)主要载磁矿物为粗颗粒磁铁矿,粒度均一,含量较高,并与Ti含量呈正相关关系,指示该段磁性矿物受后期溶解作用影响较小,其含量主要反映物源输入信息;第Ⅱ段(198～102cm,7.8～2.1calkaBP),磁性矿物颗粒变细,含量明显降低.在该段,湖面下降,水动力减小,进而输入的磁性矿物粒径也减小,容易受到后期溶解作用的影响;第Ⅲ段(101～0cm,2.1～0calkaBP),磁性矿物以生物成因单畴磁铁矿和陆源碎屑成因磁铁矿为主,磁性颗粒含量的变化与Ti含量不相关.以上结果表明,在弱还原环境中,湖泊沉积物磁性矿物的保存状态及磁学性质与其初始粒径密切相关.通过对磁性矿物信息的系统研究(包括粒径和含量变化等)并结合陆源输入指标(如Ti含量),能够较为准确地反映湖泊环境氧化还原程度的变化.以上结果为正确解译该湖沉积物的环境磁学指标提供了基础.     

南黄海EY02-2孔磁性地层及古环境意义

对采自南黄海中部平原的钻孔EY02-2(孔深70 m)进行了岩石磁学和磁性地层学研究. 磁化率随温度变化曲线(k-T)显示, 该钻孔沉积物磁性矿物的居里温度为580~600℃, 即主要磁性物质为磁铁矿. 磁滞回线测定结果表明, 南黄海磁性矿物的粒度随不同沉积环境变化很大, 总趋势是潮下滨岸大于陆相, 陆相大于海相, 与沉积物物源的距离远近和水动力强弱有关. 磁极性地层研究揭示出M/B极性转换界线位于该钻孔的63.29 m, 同时在布容期至少出现7次极性漂移(Nr1-7), 可以与布容期内的6次极性事件对应; 在松山期也出现3次正极性漂移, 最下部的两个正漂移可能是发生于886±3 kaBP的Kamikatsura正极性事件的反映. 磁化率和沉积物的粒度在不同的沉积相表现不同, 因此揭示了一些大的环境转换界面. 通常潮下滨岸和陆相的磁化率和粒度都要大于海相沉积物, 磁化率在10×10?5SI左右的稳定分布和平均粒径接近7Φ指示了水深较大的海相层. 但是, 磁化率和粒度不能作为气候变化指标与深海氧同位素δ 18O对比. 我们认为, 半封闭陆架海复杂的沉积物源和在冰期-间冰期沉积动力的变化是造成这种不能对比的原因.     

植物的耐洪能力可调控

植物是如何感觉低氧水平,从而采取“自救”措施从洪灾中存活下来的?这种分子机制是否可调控?最新研究发现,植物的这种耐洪能力分子机制是可以调控的.这个发现可能会使科学家们研制出产量更高、更耐洪灾的农作物. 这种名为“感氧蛋白转换”的分子机制能够控制关键调节蛋白(即转录因子,能打开和关闭其他基因):氧气水平正常时,这些蛋白会变得不稳定,遭到破坏;氧气水平降低时,这些蛋白会变得稳定.这种稳定性会导致植物的基因表达和新陈代谢机制出现变异,提高其在洪水导致的低氧环境下的存活概率.     

渤海底层低氧区的空间特征与形成机制

近海低氧区的发生是影响海洋生态系统健康的重要因素,也是海洋科学的研究热点.通过对2014年渤海夏季(8月末)航次观测数据的深入分析及与春(4月末)、秋(11月)两季观测的对比,研究了半封闭的渤海底层低氧区的分布特征、形成机制、及其与温盐结构的关系.结果表明,春季和秋季渤海底部溶解氧(DO)8 mg/L,但在夏季出现大范围底部DO低值区,其中DO3 mg/L的低氧区总面积约为4.2×10~3km~2,具有南、北"双核"结构,空间特征与双中心冷水结构基本一致.渤海中部断面分析表明渤海浅滩南北两侧洼地在夏季出现明显垂向分层,导致底部冷水团DO含量下降与明显酸化(p H7.8).冷水区稳定的沉积环境使其表层沉积物总有机碳(TOC)和总有机氮(TON)含量明显高于其他海区.对数据综合分析表明,渤海中部海水季节性层化及其对溶氧的阻滞作用是低氧区产生的关键物理机制,沉积物中累积的有机质在夏季的矿化分解是产生底部低氧和酸化环境的重要原因.该低氧区的产生是渤海生态系统剧变的结果和集中体现,与赤潮等生态灾害频繁发生和渔业资源衰退可能存在密切关系.     

热磁对流氧浓度传感器感应机理的实验

氧浓度分析仪被广泛地用于各行各业中,热磁对流氧浓度传感器具有使用寿命长、测量准确度高等优点.它巧妙地利用热磁对流现象引起传感器壁面温度的变化来感知氧气浓度的变化.但是由于热磁对流现象较为复杂,其感应机理尚不明确,为了进一步提高热磁对流氧浓度传感器的测量精度,有必要对其感应机理深入研究.本文通过实验的方法研究了两块方形磁铁构成的非均匀磁场作用下薄壁圆管中顺磁性气体在其中的传热特性.实验结果表明:圆管壁面温度在磁场的作用下较无磁场时有明显的降低,且随着热流密度的增大,管壁温度降低得越明显,管壁温度与热流密度成线性关系;随着热流密度的增大,热磁对流现象引起的平均速度及对流换热系数均增大;氧气浓度每增加10%,管壁温差降低0.12℃,即氧气浓度越高热磁对流现象越明显;所研究系统对于氧气浓度的分辨率约可达0.08%.     

黄土-古土壤序列中趋磁细菌分布和磁小体形成的古环境研究

选择甘肃西峰和陕西段家坡两个黄土剖面,采取磁化率变化显著的L₆-S₅-L₅层段,在8~18℃室温、25,26和30℃左右等多种条件下富集培养趋磁细菌(MB),通过透射电子显微镜(TEM)观察各样品中MB,的多少、大小、形态,以及其中磁小体(MS)的特征．总的来说,MB广泛存在于黄土－古土壤序列之中,古土壤中MB及其细胞内的MS相对较多,菌体形态亦较多,有杆状菌、弧形菌等;其中的MS基本呈链状沿细胞长轴排列．其次,黄土剖面中趋磁细菌的分布与古气候环境存在一定的关系．从黄土剖面中MB和MS的分布可推测：在整个黄土－古土壤序列形成时期,黄土高原地区古气候一直处于频繁波动状态,由西北而东南,气候呈逐渐变暖趋势,波动也更趋频繁     

蓝田玉山第四纪中后期黄土-古土壤序列环境磁学研究

用岩石磁学的各种方法反演沉积物中磁性矿物性质的变化是重建古气候历史的一个重要途径. 对位于黄土高原东南缘的陕西蓝田县玉山剖面厚约40 m的黄土-古土壤地层(L15~S5, L和S分别指示黄土层和古土壤层, 下同)进行了详细的磁学测量. 研究表明, 磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿、针铁矿是本剖面沉积物的主要载磁矿物. 典型层位样品的热磁分析显示成壤强度越高的沉积物加热前后磁化强度变化越小, 这可能与黄土沉积受次生改造的程度有关. 多个磁学参数记录表明, 玉山剖面L15~S5时期黄土沉积和古土壤次生发育所反映的古气候变化特征与黄土高原其他相关记录以及深海沉积记录都有显著区别, 这反映出区域地质背景的巨大影响. 从S9-1向L9的快速剧烈转变, 以及在转变前后两个阶段(L15~S9-1, L9~S6的底部)的古气候演化趋势的明显不同, 同时也反映了这一时期东亚夏季风和冬季风的消长对本区古气候磁性载体的强烈改造.     

强磁场中射频溅射沉积Fe-Si-O薄膜的结构及磁性

研究了强磁场对射频溅射沉积Fe-Si-O薄膜的微结构和磁性能的影响. 在O2流量比小于1.0%、外加磁场低于1.0 T的溅射条件下, 得到了中孔型、相分离型和混合型3种典型的样品宏观形貌, 表明强磁场不但影响等离子体的分布而且影响溅射原子的角分布. 在O2流量比大于2.0%,外加磁场高于2.0 T的条件下制备的Fe-Si-O薄膜中, 经X射线衍射分析发现了强(110)取向的Fe3O4相;磁性测量发现垂直膜面方向上的剩磁和矫顽力大于平行膜面情况. 这些结果表明在薄膜沉积过程中, 强磁场不但使磁性薄膜取向, 而且在膜中诱导出了显著的垂直磁各向异性.     

气候因素对土壤磁性的影响

环境磁学是一门新兴的综合性边缘学科,其核心内容之一是关于土壤磁性的发生学意义的研究。1975年,泰德(Tite)从灼烧试验的角度探讨了气候条件对土壤磁性的影响。王永焱等关于土壤磁性的研究,显示了黄土与古土壤形成时期的气候差异,而欧亚地区的一些土壤磁测工作则显示了整个欧亚大陆土壤的磁性,在分布上具有明显的发生学特征。     

底质粒度信息的空间分异与代表性: 以杭州湾舟山岛-金山卫断面为例

对杭州湾舟山岛-金山卫断面沉积物柱状样进行了高密度采样, 并用激光粒度仪进行了粒度分析. 结果显示, 在不同站位沉积物平均粒径具有不同的垂向分布. 由于该断面所在区域海底活动性强, 短时间尺度的活动层厚度的量级远高于长时间尺度的净沉积速率的量级, 平均粒径的垂向分布特征更多地反映了同一沉积环境中形成的不同类型沉积记录, 很难代表沉积环境的长时间尺度演化. 粉沙为主和沉积物粒径的垂向平均值随着厚度的增加而呈现收敛趋势的底质粒度特征, 说明物源因素控制着研究区总体的沉积物分布规律, 而水动力因素造成了一定程度的沉积分异. 沉积物的垂向分异使表层底质粒径的断面分布不同于活动层内垂向平均底质粒径的断面分布. 对于强潮、粉沙环境的沉积物输运模拟而言, 如果涉及的时间尺度较大, 则采用活动层的平均值作为模型的粒度参数较为合适.     

MHD模拟磁尾横断面结构与太阳风粒子注入机制

基于全球三维磁层MHD（Magnetohydrodynamics）模拟模型, 研究了行星际磁场（Interplanetary Magnetic Field, IMF）北向与南向时磁尾横断面（X=?18 R_E）的结构及等离子片的粒子注入机制. 模拟结果很好地符合一些已知的观测数据和经验模型. 从向阳面磁层顶IMF及重联后磁力线尾向运动过程的角度, 对磁尾横断面粒子热压力分布、磁力线投影、等离子片或电流片旋转、粒子流场分布等结构进行了合理的解释. 根据模拟得到的磁尾横断面结构, 及IMF北向与南向时磁力线投影显著不同的位形, 可以通过E×B漂移很好地说明不同IMF条件下, 太阳风粒子对磁尾等离子片的不同注入特性. 另外, 还通过磁尾横断面磁场梯度的计算, 说明了太阳风向等离子片粒子注入的晨-昏不对称性.     

山西宁武公海湖泊岩芯的环境磁学特征及中世纪暖期湿润气候探讨

对山西宁武公海GH09B1孔2.8m长岩芯进行的磁化率、非磁滞剩磁、等温(饱和)剩磁、J-T 曲线、磁滞回线和XRD 等测试结果表明, GH09B1 孔岩芯磁性矿物以磁铁矿为主, 磁性矿物含量高的岩芯段, 磁性颗粒也较细, 形成于湖盆流域土壤发育较强、降水量较多的时期, 而磁性矿物含量低的时期则相反. 公海湖泊沉积物环境磁学参数变化主要受控于湖盆流域土壤发育程度, 进而指示亚洲夏季风强弱, 尤其是χ与S_-300 参数清晰地记录了近1200 年来宁武公海地区夏季风的变化历史, 发现中世纪暖期(910~1220 AD)显著湿润, 夏季风强盛, 这一结果得到同岩芯孢粉记录的支持. 3~6 年分辨率的环境磁学参数记录还显示, 中世纪暖期内部存在980~1050 AD 的次级干旱阶段. 公海沉积物磁学参数记录的近千年夏季风变化与历史文献记载、万象洞石笋氧同位素和气候模拟结果一致, 共同指示了中世纪暖期季风强盛的湿润气候环境且内部存在百年尺度的气候干湿波动. 环境磁学参数可作为高分辨率湖泊沉积记录的季风气候变化的有效参数.