嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的影响毕业论文 精品.docx

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本科毕业论文（设计）

题目:

嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的影响

本科生毕业论文（设计）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业论文作者（签字）：

签字日期：

年月日

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

就目前沉积学和岩石学的研究，对于寒武纪大规模出现的白云岩目前还是没有合适的解释。

学者们最新的研究认为，微生物的氧化还原反应以及其他一些生物化学反应，在早期成岩阶段的白云石沉淀过程中能够起到催化剂的作用。

本文拟以在Mónica等人的实验基础上进行进一步的拓展，探究高温环境下嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的作用。

我们在40℃、45℃、50℃，3个不同的温度进行了Mg/Ca=3、Mg/Ca=5、Mg/Ca=7、Mg/Ca=8，4个不同的Mg/Ca比例下嗜热淀粉芽孢杆菌的培养实验。

为了区别微生物体和微生物分泌物对白云石沉淀的影响，又分了带菌体和不带菌体的A、B两组。

所有的实验组都产生了沉淀。

对沉淀物进行的XRD和SEM分析结果表示，嗜热淀粉芽孢杆菌增加了细菌周围的微环境中的反应物浓度,提高了微环境中的PH，并提供了沉淀的场所，促进碳酸盐矿物的沉淀。

确认了细菌在碳酸盐矿物的沉淀过程中并不仅仅是扮演了一个成核核心的角色。

同时，对SEM结果的半定量分析得出了结论：

嗜热淀粉芽孢杆菌的新陈代谢活动对碳酸盐矿物沉淀中Mg和Ca比例有一定的控制作用。

关键词：

白云岩微生物成因Mg/Ca嗜热菌

ABSTRACT

CurrentlysedimentologyandpetrologicstudiesfortheCambrianlarge-scaledolostoneappear,stilldonothavetheappropriateexplanation.Scholarslatestresearchthinks,microbialREDOXreactionandsomeotherbiologicalchemicalreaction,inearlydiageneticstageofprecipitationprocessofdolomitecanhavetheroleofcatalysts.ThispaperbasisforexperimentalMonica,etc,Wedobacilluscultivationexperimentin40℃,45℃in40,50℃,threedifferenttemperatureandMg/Ca=3,Mg/Ca=5,Mg/Ca=7,Mg/Ca=8,4differentMg/Caratios.Inordertofinddifferenceofmicroorganismsandmicrobialsecretionininfluenceofdolomiteprecipitation,wesetAgroupwithcellbodyandBgroupwithoutcellbody.Experimentalresultssuggest,microbialcanpromotecarbonatemineralprecipitation,andhassomecontrolfunctionofMgandCaionsratioincarbonateminerals.

Keywords：

Dolomite，microbialfactor，Mg/Caratio,thermophilebacteria

目录

前言1

第一章研究目的与背景3

§1.1.白云岩问题的化学动力学壁障3

§1.2.白云岩微生物成因前人的工作4

1.2.1.硫酸盐还原菌（SRB）的作用4

1.2.2.普通需氧细菌的作用6

第二章实验方法与过程9

§2.1实验设计9

§2.2实验流程10

2.2.1菌种的选择与获取10

2.2.2实验仪器及试剂12

2.2.3生长曲线的测定13

2.2.4Ca2+、Mg2+、CO32-溶液的配制14

2.2.5沉淀实验15

第三章实验结果19

§3.1.实验过程中测得的PH和吸光度数据如下19

§3.2.沉淀成分23

3.2.1XRD分析结果23

3.2.2SEM分析结果23

第四章讨论与结论33

§4.1.嗜热淀粉芽孢杆菌对白云石沉淀的促进作用33

§4.2.嗜热淀粉芽孢杆菌对碳酸盐矿物中Mg和Ca比例的控制作用33

§4.3.实验的不足与改进34

致谢35

前言

前寒武的古老地层中普遍出现分布广泛的大量厚层状的白云岩。

如周口店地区西南黄山店、孤山口一带大面积分布的雾迷山组（Pt2w）灰色中厚层硅质条带白云岩、泥质白云岩夹褐黄色藻层泥质白云岩；黄山店、八角寨一带的铁岭组（Pt3t）中-厚层结晶白云岩（图0-1）。

但目前的白云岩成因研究成果很难解释为何有如此大量的白云岩形成。

图0-1铁岭组上段叠层石

目前公认的白云岩形成的机制有浓缩海水（萨勃哈）模式、混合水模式、和交代形成白云岩三种。

1）萨勃哈模式：

在高温条气候背景中，潮上带表层CaCO3沉积物，因急剧蒸发而脱水，紧邻的海水通过松散的沉积物的毛细作用不断向这里运移补充，并在这被压缩。

文石和石膏先后晶出，Ca2+被大量消耗，剩余孔隙水的Mg/Ca比增高，结果就使表层沉积物被白云石化。

[2]

此种白云岩形成模式的环境下，孔隙水平均温度常在30℃以上，盐度是正常海水的5~8倍，Mg/Ca常大于10，PH则在9以上。

2）混合水模式：

Badiozamani用实验方法证明5%~30%左右海水的海淡混合水对白云石过饱和，而对方解石不饱和，所以当这种海水作用于方解石时就会引起白云石化。

[2]此种白云岩形成模式的环境下温度和PH会和正常海水相近，盐度比正常海水低。

3）回流渗透白云岩化模式：

潮上带形成的高镁粒间盐水，再其对表层沉积物白云化的同时，由于其密度较大，在重力作用下下渗回流。

在下渗回流的过程中穿过下覆的灰岩时，必然会发生白云岩化。

[18]

4）埋藏白云岩化模式：

有些古代白云岩是在深埋条件下形成的，即后生白云岩。

深埋白云石化对交代水溶液Mg/Ca的要求会随着温度的升高而降低，如在90℃时只需Mg/Ca=1/4；如在190℃时只需Mg/Ca=1/10。

深部的地下水、压实水等带来的Mg2+进入到深埋的灰岩中，交代形成白云岩。

[2]

除上述4中模式以外，还提出了其他一些机理，例如调整白云化，玄武岩淋滤白云化，热液白云化等。

但这些模式明显都是范围和规模比较小的，似乎都很难解释为什么中、新元古代形成如此大规模和大面积的白云岩。

广大学者尝试寻找一种能解释大范围白云岩形成或者白云岩化的机理模式。

第一章研究目的与背景

§1.1.白云岩问题的化学动力学壁障

白云岩的起源在沉积地质学中仍然是一个长期存在的难题，主要是因为在前寒武的古老地层中普遍出现大量的白云岩，但在现代条件中却很少出现。

现代实验室中白云石无机物的沉淀需要高温或高压，pH值等的特殊条件。

显然这些条件在现代沉积环境中并不存在。

自从白云岩这个概念提出以来，人们对其成因进行了超过一个半世纪的探索。

通过对现代白云岩和地质历史中白云岩的研究，得出了多种白云岩成因模式，如萨勃哈模式、卤水回流模式、毛细管浓缩模式、混合水模式、热液白云岩模式等。

虽然这些模式能解决局部地区白云岩的成因，但是它们都存在这很大的环境局限性，无法用来解释前寒武地层中形成的大规模白云岩。

就目前的研究成果来看，白云岩形成的化学反应主要有2种：

Ca2+（溶液）+Mg2+（溶液）+2CO2-3（溶液）＝CaMg（CO3）2（固态）；

（1）

2CaCO3（固态）+Mg2+（溶液）＝CaMg（CO3）2（固态）+Ca2+（溶液），

（2）

这两个方程式代表白云岩形成的两种方式。

前一方程式表示白云石直接从水溶液中沉淀，可形成原生白云岩；后一方程式表示的是方解石或文石被白云石交代的过程，即白云岩化作用，形成的是成岩白云岩。

式

（1）为原生沉淀白云石的化学反应式，平衡系数K=a[CaMg（CO3）2]/（a[Ca2+]×a[Mg2+]×（a[CO32-]）2）。

其中a[x]是离子活度,固体和纯液体为1。

现代海水中Ca2+、Mg2+和CO32-的离子活度积为10-15.01，而Moore等根据孔隙水中离子活度计算的K值大约为10-16.1~10-16.4，比海水中实际K值小一个数量级，所以理论上现代海水对白云石是过饱和的。

而式

（2）为交代成因白云石的化学反应式，平衡系数K＝a[Ca2+]/a[Mg2+]=0.67。

现代海水的Mg/Ca摩尔比为5.2，远大于0.67，说明现代海水中白云石是能够形成的[7]。

然而无论是原生白云石还是交代白云石，在现代海水中却很少沉淀，说明应该是反应速率的问题，即主要受化学动力学的控制。

众所周知，影响反应速率的因素主要是反应物的浓度、温度和催化剂的存在。

现代海水环境下，影响白云石沉淀的浓度因素包括以下３个方面：

（1）镁离子。

海水中部分Mg2+、Ca2+是以水化合物或络合物的形式存在。

水分子作为极性分子，又有氢键的存在，对溶液中的离子有较强的静电引力。

而Mg和Ca同属第二主族，Mg为第三周期，Ca为第四周期，Mg2+半径比Ca2+半径要小。

所以Mg2+与水之间的静电引力比Ca2+与水之间和Mg2+与CO32-之间的静电引力都要大。

因此，在常温常压环境中Mg2+不易进入到白云石晶格中，Mg2+的水合作用阻止了过饱和溶液中白云石的沉淀；

（2）碳酸根离子。

现代海水中CO32-的浓度不高。

现代海水中HCO3-与CO32-的浓度加起来才2.27×10-3mol/L，沉淀白云石所能利用的CO32-十分少，所以白云石难以沉淀。

（3）硫酸根离子。

溶液中Mg2+常与SO42-结合形成中性强离子对MgSO40，使得溶液中可利用的Mg2+浓度再次降低；同时MgSO40吸附到正在生长的晶体表面，进一步阻碍白云石的生长。

因此前人研究认为，溶液中的SO42-是限制低温白云石形成的主要动力学因素，即使SO42-浓度非常低，也会抑制白云石的形成。

正如大多数人工合成白云石实验所证明的那样，在地表温压条件下，若没有催化剂的存在，白云石只能在高温下形成。

[7]

§1.2.白云岩微生物成因前人的工作

近20年的研究发现，微生物的氧化还原反应,即呼吸作用，以及微生物的其他一些生物化学反应，在早期成岩阶段的白云石沉淀过程中能够起到“催化剂”的作用：

它增加了孔隙水中的反应物浓度，增加了细菌周围的微环境的PH值，使得细菌周围的微环境更适合于白云石的沉淀，或许释放出的胞外分泌物也能够对白云石的沉淀造成影响，同时，菌体也作为沉淀的核心为白云石的沉淀提供了场所。

从而增大了白云石沉淀的反应速率，有利于白云石的沉淀。

在寒武纪生物物种大爆发之前，地球上的生物几乎全部为微生物，海洋很可能是藻类和菌类的世界。

因此如果白云岩的微生物成因模式成立，则可以很完美地解释前寒武纪的白云岩的原生成因。

1.2.1.硫酸盐还原菌（SRB）的作用

如上文所述，溶液中Mg2+与SO42-结合形成MgSO40，所以SO42-的存在会抑制白云石的沉淀。

因此，降低溶液中的SO42-浓度显然有利于白云石的沉淀。

如深海缺氧、富含有机质的沉积物中，普遍发生的硫酸盐还原反应就可以降低孔隙水中的SO42-浓度：

2CH2O（碳水化合物）＋SO42-→H2S＋2HCO3-

这个过程需要硫酸盐还原菌（SRB）的参与。

Vasconcelos等也发现在硫酸盐还原细菌（SRB）参与的实验条件下可沉淀出铁白云石。

于是，他们提出这些厌氧微生物的调节作用可能在铁白云石在自然环境沉淀过程中起关键作用。

CrisógonoVasconcelos,RolfWarthmann等人在巴西LagoaVermelha海岸的一个泻湖中直接发现了现代与微生物有关的含白云石的沉积，并统计出含白云石的沉积物中白天和夜间氧气和硫化物含量在垂向上的变化，并对硫氧化细菌和硫还原细菌与白云石形成有关的新陈代谢进行了详细的阐述[4]。

他们认为这里的白云石沉积可能是在硫氧化细菌和硫还原细菌作用下形成的。

之后Warthmann等进行了模拟巴西的LagoaVermelha泻湖缺氧沉积环境下白云石的沉淀实验，发现硫酸盐还原细菌确实可以获得白云石沉淀。

他们将硫酸盐还原细菌置于30°C的人工配置的溶液中让其繁殖30天，溶液中产生了白云石沉淀。

沉淀物晶体形态与巴西LagoaVermelha沉积物中的白云石非常相似。

实验结果表明硫酸盐还原细菌在低温缺氧条件下可促使白云石沉淀。

[4]

他们认为之所以微生物能够促进白云石的沉淀，主要是因为硫酸盐还原细菌（SRB）的活动降低了环境中的SO42-离子浓度，从而从MgSO40络合物中释放出更多自由的的Mg2+离子，促进白云石的沉淀。

图1-1CrisógonoVasconcelos等人在巴西LagoaVermelha的沉积物（microbialmats）中发现的高镁方解石扫描电镜照片，比例尺5m[4]

图1-2CrisógonoVasconcelos等人在巴西LagoaVermelha测得的沉积物（microbialmats）白天和夜间氧气和硫化物含量在垂向上的变化[4]

1.2.2.普通需氧细菌的作用

2009年MónicaSánchez-Román,JudithA.McKenzie等人在《地球与行星科学快报》发表一篇题为《Presenceofsulfatedoesnotinhibitlow-temperaturedolomiteprecipitation》的文章，在这篇文章中他们提出了一种与前人工作结果大不相同的白云岩微生物成因的可能性[3]。

他们认为，在类似于现代自然海水的环境下，微生物的作用可能使得微环境发生改变，使白云石从海水中析出。

他们用两种十分普通的嗜盐菌及杆菌，在25℃与35℃利用琼脂培养基，初始pH为7.2~7.4，Mg/Ca为7.5的条件下成功的得到了球状的白云石结晶。

表1-1Mónica等人的实验结果[3]

图1-3.Mónica等人实验中获取的球状白云石结晶[3]

图1-4Mónica等人实验中获取的矿物结晶[3]，D-小的球状矿物-白云石，HM-较大的球状矿物-菱镁矿，S-鸟粪石

我们在Mónica等人的实验基础上进行一些改进，探索其他种类的细菌能否促进白云石的沉淀，同时调整实验环境使之更加接近前寒武的环境。

第二章实验方法与过程

§2.1实验设计

Mónica等人的实验中采用的是固体培养基，只能对白云石的沉淀进行定性的分析，同时很多参数没有办法控制。

我们采用液体培养基，对实验环境和参数进行比较精确的控制，试图对之进行半定量的分析。

实验中所涉及的变量有温度和Ca2+/Mg2+离子比例两项。

1）温度设定：

寒武纪以前地质和构造运动频发，海水温度较更新世海水温度高出许多，查阅资料可知，对中国南方灯影峡期地层的δ13C和δ18O同位素分析，此期海洋海水温度为40~60℃[10]。

因此我们需要利用嗜热菌，但一般现代的嗜热菌的生长极限温度都不会太高，一般都在55℃左右，为减少获得菌种的难度，我们把上限设定为50℃。

综上，我们设置3个温度梯度：

40℃、45℃、50℃。

2）Ca2+、Mg2+离子浓度设定：

Mónica等人的实验中在Mg/Ca为7.5实验环境下成功的生成了白云石沉淀，不妨把Mg/Ca值的上限略调高点，设为8。

而现代海水的Mg/Ca值为5.5左右，不妨把下限调低点，设为3，综上，我们设置4个Ca2+/Mg2+梯度。

现代海水的Ca2+浓度为11mMol/L，设定离子浓度时不改变Ca2+浓度，于是获得各实验组Ca2+、Mg2+离子浓度：

表2-1实验中Ca2+、Mg2+离子浓度

Mg/Ca

c[Ca2+]（mMol/L）

c[Mg2+]（mMol/L）

3

11

33

5

11

55

7

11

77

8

11

88

另外，为了区别细菌细胞体和细菌分泌物对白云石沉淀的影响，我们把实验分作A、B两组。

A组沉淀过程中有细菌菌体，B组沉淀过程中有细菌菌体。

§2.2实验流程

2.2.1菌种的选择与获取

我们首先在高校微生物资源数据库平台上搜寻所需的菌种，目标以嗜热的异养需氧型细菌为主。

我们发现Bacillusthermoamylovoians这株菌可以满足我们的需求。

属名：

Bacillus，种名：

thermoamylovoians,中文名：

嗜热淀粉芽孢杆菌，平台编号1512C0002010002334。

这株菌是由南开大学马挺等人从大庆油田的油田污水中分离出来的，适宜培养温度为38℃~55℃，需氧异养菌，革兰氏阳性，总盐度为7%时可完全抑制其生长，培养基为LB培养基。

高校微生物资源数据库平台上显示这株菌保藏在南开大学微生物资源保藏中心，在几经周折之下我们打听到这株菌种保存在李国强老师那里。

联系到了南开大学的李国强老师之后，李老师十分热情的向我们提供了这株菌种。

表2-2嗜热淀粉芽孢杆菌的基本信息（高校微生物资源数据库平台）：

2.2.2实验仪器及试剂

一、实验所需器具

50ml离心管40个，15ml离心管50个，5ml离心管3个，10ml小烧杯