微生物异化还原水铁矿介导的Ca-Fe碳酸盐矿物形成:对铁白云石成因的启示

白云石的成因机制至今仍是地球科学领域的一个谜题(“白云石问题”).铁白云石等碳酸盐矿物具有类白云石晶体结构,因此研究这些矿物的形成机制可为解答“白云石问题”提供新线索.本研究利用一株海洋异化铁还原菌(Shewanella piezotolerans WP3),在不同钙离子浓度(0~20mmol/L)条件下,通过氧化乳酸盐诱导水铁矿还原转化为次生碳酸盐矿物,以此评估微生物在铁白云石形成过程中的作用.实验结果表明,加入Ca^(2+)可以增强S.piezotolerans WP3细胞与水铁矿颗粒之间的黏附作用,从而提高反应体系中Fe(Ⅲ)还原速率.在不同Ca^(2+)浓度条件下,菌株WP3诱导生成的次生碳酸盐矿物类别有所差异:在0mmol/L Ca^(2+)体系中生成菱铁矿,而含钙体系中则为Ca-Fe碳酸盐固溶体,且这些固溶体的钙离子含量与反应体系中初始的Ca^(2+)浓度呈正相关关系.值得注意的是,在20mmol/L Ca^(2+)体系中生成的Ca-Fe碳酸盐固溶体化学组成为Ca0.8Fe1.2(CO3)2,与铁白云石类似.此外,这些微生物成因的“类铁白云石”具有纳米晶粒的形态,晶体结构中钙和铁元素呈无序分布,并且发育较多晶体缺陷.进一步成岩模拟实验证明,“类铁白云石”可以在水热条件下转化为有序铁白云石.基于成分类比性和转化规律,微生物成因的“类铁白云石”可能是沉积物(岩)中铁白云石的重要前驱体,可以被定义为“原铁白云石”.以上新发现对理解微生物在铁白云石乃至白云石形成中的贡献具有重要的启示意义.