黄土高原粉尘堆积源区环境及风化历史初步研究

In this study, we examined the surface features of quartz grains, the quartz oxygen isotopic ratios and the mineralogical compositions of the loess - paleosol - red clay sediments systematically. The surface features of quartz grains do not show significant changes of the dust deposits through the past seven million years. The particles were mainly created in the process of glacial and frost weathering of high mountains. Then the surfaces were altered in some degree by the flood and wind abrasion. The surface features registered all these processes. The assemblages of surface features changed for four times in the past seven million years, the occurrence ages are: 5.0~4.2MaBP, about 3.6MaBP, about 2.6MaBP and about 0.9MaBP, respectively. This may indicate that there were uplift events of the Tibetan Plateau during those times. The oxygen isotopic compositions of quartz in the sediments represent the oxygen isotopic compositions of the initial dusts because of the stable properties of quartz both physically and chemically. The oxygen isotopic compositions of 4~16um quartz changed significantly at about 2.6MaBP, decreasing from about 19.5%o to about 18.5%o. This decrease of quartz oxygen isotopic ratio suggests that the environments of the dust source areas changed at that time, or the range of dust source area changed at that time. The environmental change may result from the structural evolution of the Tibetan Plateau and global cooling at that time. The coarse fractions (>30μm) of the dust deposits were examined using the EDXA device for mineral identification. The quartz content has a decrease trend during 7~2MaBP, then increase rapidly at about 2MaBP. After 2MaBP, quartz content continues to decrease. The Ca-plagioclase content / quartz content ratio increase at about 3.6MaBP. The ratio shows a peak of 3-6 fold values at about 2.5~1.8MaBP, the cause of this is still unknown. The Ca-plagioclase content / quartz content ratio continues to increase after 1 MaBP. The flowing can be regarded as the conclusion remarks of this study: Some of the red clay sediment of the Chinese Loess Plateau (at least Lingtai and Jingchuan red clays) is eolian in origin. The quartz grains from dust deposits throughout the past seven million yeas showed the clues of glacial and frost processes. This indicates that the high mountains of western China reached a certain altitude to favor the glacial and/or frost processes at least seven millions years before. The weathering intensities of the past seven nnillion yeas have a decreasing trend. In about 5~4.5MaBP, the weathering is relatively weak, and the dust supply is relatively low. At about 3.6MaBP and 2.6MaBP, the dust supply increased significantly. The mineralogical composition, the quartz surface feature and the quartz oxygen isotope composition were influenced by the uplift of the Tibetan Plateau. The Plateau may have reached a certain altitude to generate the arid regions of inland China and favor the glacial and frost weathering. And it underwent a phased uplift, which have uplift events at about 3.6MaBP and 2.6MaBP.

矿物的微生物风化地球化学研究－－以磷矿石和方解石为例

微生物与矿物间的相互作用是自然界中广泛发生的一种地质作用，微生物直接参与了自然界的物质循环，微生物对矿物风化作用的过程和机理与矿物种类、菌种及环境条件密切相关。目前还缺乏对矿物风化微观过程及风化过程中微生物生理生化特征的研究资料，随着分子生物学理论与技术的快速发展，用地球化学结合微生物学与分子生物学的理论和方法来综合研究微生物的矿物风化过程已成为可能。从分子水平和微观作用过程研究其风化过程与机理，理解微生物与矿物界面之间的相互作用及其反馈机制，是表生作用过程中生物地球化学的重要研究内容。 选用胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）、黑曲霉（Aspergillus niger）和青霉（Penicillium sp.），以磷矿石和方解石为例，探讨实验条件下微生物对矿物的风化作用过程与机理。微生物对矿物风化作用具有能耗低、污染小和流程短等特点，充分利用这些特点是解决土壤中无效磷的有效利用、磷矿资源的开发以及减少环境污染等问题的有效途径，对矿产资源的可持续利用和建立健康的生态环境具有十分重要的意义。采用离子色谱、ICP-OES、XRD、TEM、EDS、2-DE、电子探针和MC-ICP-MS等分析测试手段，研究微生物对矿物的风化过程与机理，得到如下结果： (1) 在黑曲霉对磷矿石风化过程中，由黑曲霉生长引发的生物机械破坏作用和生物化学降解作用是对磷矿石风化的主要趋动力，包括菌丝生长对矿物的穿插作用以及机械剥蚀作用；此外，菌体及生物大分子形成生物膜覆盖在矿物表面形成易于发生生化降解的微环境，有机酸络合Ca生成次生矿物草酸钙促进了磷矿石的风化。磷矿石直接与菌体接触所发生的风化作用强于磷矿石装入透析袋中的间接风化作用。 (2) 在胶质芽孢杆菌对磷矿石的风化过程中，菌体及其胞外多糖类物质在矿粉表面形成生物膜、菌体生长、代谢产物及有机物的机械剥蚀破碎作用等是造成矿物风化的重要原因；磷矿石直接与菌体接触进行的风化作用强于磷矿石装入透析袋中的间接风化作用。 (3) 黑曲霉对磷矿石的风化作用强于胶质芽孢杆菌，两者对磷矿石进行风化时，生物物理风化作用是导致矿物风化的主要因素；胶质芽孢杆菌风化磷矿石的过程中没有草酸钙的产生。 (4) 胶质芽孢杆菌对磷矿石的风化过程中，菌体蛋白质的表达发生变化，蛋白质的量与质的变化与磷矿石的风化密切有关。磷矿石的加入导致菌体生理代谢途径改变以适应环境的变化，并分泌相关的蛋白质导致矿物的风化。 (5) 采用Sr同位素示踪研究黑曲霉与青霉对磷灰石和方解石混合物的风化差异。黑曲霉作用混合矿物的初期，培养液pH值相对较低，对其中方解石有风化作用；中后期由于pH值升高，对磷灰石有较强的风化作用,对磷灰石的风化是由黑曲霉产生的大分子有机物对磷灰石中Ca络合的结果。青霉与混合矿物发生相互作用时，在最初的很短时间内青霉对磷灰石有风化作用，但对方解石的风化作用却表现在整个风化作用时间段，相比而言，青霉对磷灰石的风化作用不明显。这种风化差异与真菌的生物学特性有关，并表现为微生物对矿物风化的选择性。 本项研究对进一步认识土壤植被生态系统中的磷循环规律和循环过程中微生物所起的作用，以及用微生物风化作用的方式促进磷矿资源开发利用具有重要理论和实际意义。

一株岩生真菌对碳酸盐岩的风化作用研究

真菌在矿物和岩石风化过程中起着不可忽视的作用，岩生真菌对岩石的风化作用研究是微生物风化作用研究的热点问题之一。本研究利用从碳酸盐岩表面分离到一株真菌，开展了岩生真菌对碳酸盐岩风化作用的模拟试验，研究了该真菌对不同碳酸盐岩风化作用的过程和效果，分析了真菌代谢产物，发酵液方解石饱和指数以及风化过程中稀土元素的行为，探讨了该真菌对碳酸盐岩风化作用的机理。 对该岩生真菌GZKM01菌株形态学特征和基于ITS序列的分子鉴定结果表明该菌株隶属真菌界(Kingdom fungi)、半知菌亚门(Deuteromycotina)、腔孢纲(Coelomycetes)、球壳孢目(Sphaeropsidales)、鲜壳孢科 (Nectrioidaceae)座壳孢属(Aschersonia)。 实验条件下显示该真菌对碳酸盐岩具有较强的风化作用，可以大大地提高岩石中Ca2+的溶出量，发酵液上清液Ca2+浓度大大高于培养基对照和纯水对照。以加石灰岩矿粉的发酵液(摇床培养)为例，发酵液上清液最高Ca2+浓度分别是死菌对照和纯水对照处理最高Ca2+浓度的3.98倍和13.73倍。 真菌在生长和风化岩石过程中可以产生有机酸、醇类等挥发性代谢产物；真菌矿物相互作用过程中，真菌与矿物形成菌体-矿物复合体或聚集体，真菌胞外分泌物在矿粉表面形成生物膜结构；真菌对碳酸盐岩的风化作用导致发酵液方解石饱和指数SIc不断增大，溶液处于方解石过饱和状态。真菌对碳酸盐岩的风化作用包括有机酸和其他小分子物质的化学降解作用，机械破坏作用，碳酸酐酶的催化作用，真菌的对矿质元素的吸收作用，次生成矿作用等。 真菌作用下，发酵液上清夜稀土元素的含量普遍高于K2HPO4浸泡液中稀土元素的含量, 与K2HPO4浸泡液相比真菌浸出的稀土元素δCe值较大、δEu值较小，富Ce贫Eu，稀土元素分异现象明显；真菌菌体中富Ce贫Eu的特征更加明显，菌体对Ce有强烈的富集作用。代谢产物的络合作用，真菌产生的代谢产物对pH的调节作用，菌体的直接吸收和吸附作用，有机质的吸附作用，氧化还原作用等是造成稀土元素溶出、迁移和富集的主要原因。 分析认为该真菌对碳酸盐岩风化作用包括一系列的生物化学和生物物理过程，这两个过程相互依赖，相互促进，协同作用，岩生真菌在碳酸盐岩的风化成土过程中起着非常重要的作用。该真菌对岩石中稀土元素溶出、迁移和富集同样起着重要作用。通过综合分析风化壳的风化强度、稀土元素分布特征、微生物活动等可以为评估微生物在岩石风化过程中所起的作用提供依据。上述研究加深了对岩生真菌与碳酸盐岩相互作用过程和机理的理解，为进一步研究碳酸盐岩微生物风化作用提供资料。