微生物如何影响洞穴碳酸盐矿物沉淀？研究揭示关键机制与潜在应用

为探究微生物对洞穴碳酸盐矿物沉淀影响，研究人员从龙春洞采样研究，发现多种因素影响沉淀，意义重大。

　　洞穴，宛如地球内部的神秘宫殿，隐藏着无数不为人知的秘密。在洞穴中，碳酸盐矿物的形成过程一直是科学家们关注的焦点。微生物在这个过程中扮演着怎样的角色？不同离子比例又会对矿物沉淀产生何种影响？这些问题长期以来困扰着科研人员。为了解开这些谜团，来自韩国全南国立大学和江原国立大学的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员为了开展此次研究，运用了多种关键技术方法。首先，他们从龙春洞（Yongcheon Cave）采集了沉积物、滴水和生物膜样本。之后，通过培养技术对样本中的碳酸盐形成微生物进行富集培养。利用下一代测序（NGS）分析微生物多样性，借助 X 射线衍射（XRD）、X 射线荧光分析（XRF）、电感耦合等离子体 - 原子发射光谱（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等技术，对样本的矿物学、地球化学特征以及元素浓度变化进行深入分析。还用扫描电子显微镜 - 能谱仪（SEM-EDS）观察沉淀矿物的形貌和元素组成。

下面来看看具体的研究结果。

• 表面沉积物的地球化学和矿物学特征：在洞穴表面采集的沙丘沉积物中，能看到很多海洋生物贝壳和少量火山岩碎片。沉积物的矿物主要是镁方解石[(Ca,Mg)CO₃]和文石(CaCO₃) ，土壤中则主要含有石英和镁方解石。这些沉积物和土壤为洞穴提供了有机酸和各种阳离子，像是 Ca²⁺、Mg²⁺等，为后续的研究奠定了基础。
• 滴水样品的地球化学特征：对滴水样品进行分析发现，其 pH 值在 7.9 - 8.3 之间，呈弱碱性。主要离子浓度各有不同，还检测出了 Fe、Sr⁺、Ba、Al 等微量元素。其中，氮的主要来源受化肥影响，部分滴水样品中 NH₄⁺浓度差异较大。
• 滴水和生物膜样品中碳酸盐形成微生物的多样性：通过 NGS 分析，研究人员发现滴水样品中富集的微生物主要由变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）组成，包含多种能诱导碳酸盐沉淀的细菌属，如假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）等。这些微生物很可能受到外部环境的影响。而生物膜样品中，变形菌门占主导，假单胞菌属在多数样品中占优势，还有许多参与碳酸盐矿物沉淀的微生物。微生物产生的胞外聚合物（EPSs）含有能吸附阳离子的基团，有助于矿物成核和碳酸钙沉淀。
• 微生物诱导的碳酸钙沉淀：将从滴水和生物膜样品中富集的微生物接种到含有尿素和 CaCl₂的培养基中培养，很快就能观察到微生物生长使培养基变浑浊，5 天内形成白色沉淀，经 XRD 分析确定主要是方解石。研究人员挑选了沉淀速度较快的样品，进一步探究 Mg/Ca 和 Sr/Ca 比例对碳酸盐矿物形成的影响。
• Mg/Ca 比例对碳酸盐沉淀的影响：改变培养基中 Ca²⁺和 Mg²⁺的比例进行实验，结果显示，微生物生长和尿素分解会使培养基 pH 值升高。ICP-MS 分析表明，微生物生长能诱导碳酸钙沉淀，大量 Ca²⁺被去除，但 Mg²⁺只有少量转化为矿物。XRD 和 SEM-EDS 分析发现，不同 Mg/Ca 比例下形成的矿物种类和形貌各不相同。当 Mg/Ca 比例大于等于 1 时，Mg²⁺不与碳酸钙共沉淀；小于 1 时，会形成含 Mg²⁺的镁方解石。当只有 Mg²⁺存在时，更倾向于形成磷酸铵镁矿物。
• Sr/Ca 比例对碳酸盐沉淀的影响：研究不同 Ca²⁺和 Sr²⁺比例对碳酸盐矿物形成的影响时发现，微生物接种后培养基很快变浑浊并形成沉淀，pH 值升高，表明尿素发生水解。实验中 Ca²⁺和 Sr²⁺的去除效率都很高。XRD 和 SEM-EDS 分析显示，不同 Sr/Ca 比例下形成的矿物种类、形貌和结晶度有差异。Sr²⁺能替代钙锶矿[(Ca,Sr)CO₃]和菱锶矿(SrCO₃)晶体结构中的 Ca²⁺，且 Sr/Ca 比例会影响沉淀矿物的结晶度和颗粒大小。

综合来看，研究人员从龙春洞的滴水和生物膜样品中富集培养了碳酸盐形成微生物，这些微生物能将尿素培养基中的离子态 Ca 转化为碳酸钙。不同比例的 Ca²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺会影响沉淀矿物的种类，其中 Sr²⁺沉淀效率高，Mg²⁺则较低。该研究揭示了洞穴微生物诱导碳酸盐矿物沉淀的机制，为理解地质化学循环提供了依据。同时，微生物形成碳酸盐矿物的过程在放射性同位素固定和二氧化碳封存方面具有潜在应用价值，为相关领域的研究和发展开辟了新方向。