微生物地质工程技术及其应用

微生物地质工程技术是将微生物参与的生化过程加以控制和利用,来解决工程地质问题的一类新型岩土体水—力学特性改性技术。研究表明该技术具有低成本、环境友好、低能耗和过程可控的优点,是工程地质界近些年的一个热门研究内容,也是现代工程地质学科的重要发展方向。文章基于当前该技术取得的研究进展,系统总结了能被加以控制和高效利用的三种代表性微生物地质工程技术(微生物成矿作用、微生物膜作用及微生物产气作用)的原理及其应用领域。着重对研究最多、应用前景最广的微生物成矿作用改性岩土体力学特性、渗透特性、抗侵蚀性等工程性质及机理进行了阐述,并深入探讨了影响微生物成矿作用改性效果的关键因素(细菌种类、菌液浓度、环境温度、pH值、胶结液、土体性质及灌浆工艺)。此外,文章还详细论述了微生物成矿作用在地基处理、岛礁建设、防风固沙、水土保持、抗裂防渗、文物保护、地灾防治等领域的应用现状,并探讨了该技术当前面临的主要挑战及未来的重点研究方向。

微生物地质技术及其应用前景

在分析和总结微生物地质技术研究现状和应用前景的基础上,分析和探讨了微生物的特性及其作用机理,为我国矿床研究。

微生物地质技术及其应用前景

微生物地质技术及其应用前景关广岳（东北大学资源微生物技术研究中心·沈阳市）作为生物技术的一个重要分枝的微生物技术是人类通过实践所掌握的最古老的技术，迄今已有４０００～５０００年的历史，诸如酿酒、发酵、制造醋酱、沤制家肥等均属之。目前微生物技术在食品、...

小小地质微生物演绎跨圈层的相互作用

地球系统科学特别关注跨圈层的相互作用,包括深部系统与表层系统的相互作用、表层系统海-陆-气之间的相互作用。这种庞大时空尺度的地质作用过程可以被小小的地质微生物记录下来,足见地质微生物的以小见大、见微知著特征。在二叠纪-三叠纪之交和晚奥陶世这两个完全不同场景的显生宙火山活动过程中,爆发的初期都出现了包括蓝细菌在内的海洋固氮微生物繁盛,紧接着出现了包括藻类、放射虫、有孔虫等真核微生物的繁盛,显示了火山活动引发了从原核微生物向真核微生物群落的转变过程。不仅如此,人们还发现地质微生物可以通过条带状铁建造等生物成因岩石引发了前寒武纪的火山活动,而且还可能启动了最早的板块运动。地质微生物不仅对火山活动这一与碳循环有关的跨圈层地质作用具有很灵敏的响应和反馈能力,而且还能示踪表层系统复杂的海-陆-气相互作用及其物质传输过程。利用地质微生物的诸多干湿古气候代用指标,发现了中国东部地区不同时间尺度干湿状况的三极模态空间变化格局,而且还识别出了西北地区与西太平洋海洋上层热量有关的极端干旱事件。地质微生物记录的这些干湿状况是高纬与低纬的海-陆-气相互作用在水循环方面的体现。地质微生物演绎的与碳循环和水循环有关的这些跨圈层过程仅是地球系统的冰山一角,随着地球生物学的发展和技术方法的创新,越来越多的宜居地球形成之谜会被地质微生物所破解,包括地质微生物与深部过程的互馈效应、地质微生物与地球重大环境转型的关系以及地质微生物对地球生态系统演化的影响。

微生物岩土工程技术的过去、现在与未来

微生物岩土工程技术作为一种新兴的生态友好型岩土体改良加固技术,应用前景广阔。但限于理论水平和研究手段,该技术仍存在较多不足,难以实现高效固化,由此成为大规模现场应用的瓶颈。而提升固化效率的关键在于明确其作用原理和影响机制。文章梳理了微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)的研究现状,系统归纳了固化原理和改良岩土体的物理力学特性,并分析得出固化效率主要受到反应物自身和外部环境两方面的影响。当前MICP技术已初步应用于土体固化、裂缝修复、防渗处理、污染修复及微生物水泥等领域,但由于矿化难以均匀、反应物不经济、微生物及脲酶活性期短且受环境干扰大、代谢产物附带毒性、现场应用性差,该技术目前主要限于实验室水平。作者分别提出了可能的突破与改进方向,并结合实验室成果指出豆粕进行菌体扩培和脲酶供给的碳源优势,以及将磷石膏作为现场钙源的环保性和经济性,以期为从事微生物岩土工程研究与技术开发的人员提供参考。

微生物与沉积岩的协同演化

[意义]生物圈是地球区别于其他星球的一大关键,微生物因时空分布广、代谢功能多样、繁殖快、丰度高而对地球宜居性产生重要影响,探索微生物与沉积岩的协同演化关系对了解宜居地球的形成过程与途径具有重要意义。[进展]太古宙虽然以火成岩为主,少量的沉积岩也以物理作用为主,但铁代谢微生物广泛参与了条带状硅铁建造的形成。元古宙的沉积岩发生了革命性变化,其丰度远比火成岩多,而且微生物作用明显加强。元古宙出现了大量丰富多彩的钙质微生物岩和微生物成因沉积构造,白云岩出现峰值,微生物形成的碳酸盐台地形态也多变。在元古宙末期,泥岩丰度的增加与陆地低等生物繁盛而导致黏土矿物工厂的生产机制升级有关。在元古宙与显生宙的过渡时期,出现了从硅质、磷质到钙质的转换,这与原核微生物向真核微生物再向多细胞动物的演化以及海洋环境的pH和Eh等条件变化有关。到了显生宙,多细胞动物大发展,而微生物群落受到压制,白云岩丰度开始降低。在真核微生物方面,古生代绿藻类的优势被中—新生代的红枝藻系所代替,使得碳酸钙沉积从浅水向深水扩展。特别是,在显生宙一些重大突变期,碳酸盐工厂出现从骨架灰岩到钙质微生物岩的多次大转换,并且出现一些错时相和微生物成因沉积构造,这些都与宏体生物出现危机后微生物生态系统的短暂发展有关。泥岩丰度在志留纪以后猛增,这与高等植物登陆导致黏土矿物工厂的又一次变革以及植物—微生物相互作用导致有机质絮凝作用的加强有关。[结论与展望]地质时期的条带状硅铁建造、灰岩、白云岩、磷块岩、硅质岩等沉积岩都与微生物作用密切相关,甚至一部分泥岩的形成也可能与微生物作用有关。微生物参与了许多沉积岩的形成,导致微生物在地质时期与沉积岩具有协同演化的关系。未来可以利用地质大数据定量化研究各类沉积岩在地质时期的分布和丰度及其与不同微生物之间的关系,由此进一步探索地球深部与表层的联动。

海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术

当前国内外海洋天然气水合物勘查和评价发展趋势要求有更多具有精细探测和评价功能的技术,这给地质微生物水合物探测技术的研发和应用提出了需求和挑战。简要介绍了当前水合物成藏或沉积环境研究中所涉及的主要微生物类别及其主要关系,它们绝大多数是适应海底深部低温高压环境的厌氧极端生物。其中重要类群是为天然气提供气源的产甲烷古生菌、参与甲烷厌氧氧化过程的甲烷氧化古生菌和硫酸盐还原细菌。介绍了国内外几个地质微生物探测技术的实例,包括历史悠久的"微生物油气勘探"技术、近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志类别法;另外,对新露头角的微生物生物标志物法等其他方法也给予简要介绍。

分子地质微生物学研究方法述评

微生物在诸如海洋、湖泊、土壤、冰川、洞穴等许多生态系统的地质过程中发挥着重要作用,国际上对一些单个生态系统的地质微生物研究进展及微生物类脂物碳同位素组成与碳循环的关系等已部分地进行了总结。从分子水平上总结了地质微生物研究进展,着重从核酸(16SrRNA、DNA)和类脂物(磷脂酸、藿醇)两大方面评述了分子地质微生物学的研究,重点剖析了地质历史时期的甲烷氧化细菌、绿硫细菌、蓝细菌等一些重要微生物类群的类脂物分子标志化合物特征,揭示了当今分子地质微生物研究领域最新的研究方法及其发展动态,指出单体稳定同位素研究和放射性同位素示踪的结合将使分子地质微生物学研究进入一个崭新阶段。

地质微生物技术在油气勘探开发中的应用

总结了地质微生物技术包括油气微生物勘探技术(MPOG)和本源微生物采油技术(MEOR)的理论基础和原理,简述了MPOG和MEOR技术的流程和主要特点等,评述了MPOG和MEOR技术在石油天然气勘探开发中的应用现状。MPOG和MEOR技术的应用实践表明,加强基础理论研究,培养和造就一批拥有微生物学、生物化学、地球化学、石油地质学和石油工程学等多学科理论和技术的专门人才或者实现了这些相关学科人才的有效结合,发展中国自己的成套地质生物技术,必将对大幅度提高我国油气勘探成功率和采收率产生深远的影响。

地质微生物作用与油气资源

地质微生物作用与油气资源的生成、保存、破坏、开采和勘探的各个环节都有着密切的联系。微生物(细菌)本身不仅是良好的成烃母质,还是促使有机物转化为石油烃的主要营力。微生物作用使沉积有机质向更有利于生烃的物质转化,并使有机质中表征成熟度的一些指标在尚未受热成熟作用前就显示成熟特征。沉积环境中微生物的发育对有机质的贡献与保存有积极作用,细菌对有机质的降解也有利于有机质中成烃组分的保存与富集。微生物作用生成的天然气、煤层气和甲烷水合物在世界各地已成为有商业开采价值的资源。然而,微生物对已成藏的油气资源又具有破坏作用。储层中喜氧与厌氧菌的存在,不仅破坏石油储量,还使原油质量明显下降。

地质微生物响应地质环境变化的若干问题——兼论环境代用指标的应用

微生物能够通过改变细胞膜脂类成分而灵敏地响应地质环境条件的变化,使得人们建立了一系列微生物的古环境代用指标。应用比较广泛的古温度定量化指标包括藻类的长链烯酮U_(37)~k、古菌甘油二烷基甘油四醚的TEX_(86),以及细菌甘油二烷基甘油四醚的MBT/CBT等。然而,由于缺乏生理学和生态学分析,人们在应用微生物的环境代用指标时不断发现适用性问题。论文重点从微生物对环境响应的化学过程、生理范围和生态效应这三方面分析了一些环境代用指标在应用时需要考虑的多指标相互验证、线性范围和灵敏度,以及地区性差异等问题。微生物通过脂类响应环境变化有多种化学方式和途径可以实现,使得许多代用指标可以相互验证。微生物对地质环境的生理响应是有线性范围的,这决定了微生物脂类的环境代用指标的灵敏度大小。而微生物对环境因子的生态响应则决定了代用指标的应用存在地区性差异。某种环境的微生物活动往往受到一些限制性因子控制,相应地一些微生物脂类的环境代用指标也主要响应这些限制性环境因子的变化。微生物的古环境代用指标的应用不仅需要了解微生物通过脂类响应环境变化的化学机理,更要了解相应微生物的生理学和生态学原理。

地质微生物地球化学作用的意义与展望

概要论述了地质微生物学、地下水微生态学、微生物地球化学作用的基本概念、研究内容、研究现状、科学意义、关键问题、发展前景和在地下水环境保护中的作用。该研究领域不仅拓宽了整个地质科学的研究范畴,而且推动了地质科学的发展,具有一定的创新性。

地质微生物学中几项最新研究进展

地质微生物学是地质学和微生物学之间的交叉学科,在过去的十几年中已取得了突飞猛进的发展。该研究领域涉及全球许多种极端环境,例如从地下深部结晶岩、古沉积岩、到现代超盐度湖泊、干旱的沙漠和热液喷口系统等。因为地质微生物学进展的综述可能要用一本专著方可阐述清楚,作者在此仅对地质微生物学几个活跃的前缘研究领域进行了综述,包括大陆深部、盐碱环境、干旱沙漠等极端环境中的微生物生态,白云石的微生物成因,古代沉积岩中的微生物古DNA及其环境意义以及海洋地质微生物学等几个方面。这些研究证明了将地质过程和微生物作用联系起来的重要性。

青海湖:研究地质微生物的天然实验室

青海湖位于青海省的东北部,是中国境内最大的内陆高原咸水湖泊。由于青藏高原的不均匀隆升,使这些湖泊形成了封闭的水系和地球化学物质循环特征。青海湖有限的几条供给河流的水化学受其所经过岩石的化学成分控制,而湖水的化学成分和物理化学特征则受补给水系的影响。湖泊的碳循环除受盆地周围风化搬运作用以外,主要碳源为湖泊以及周围的生物群落。青海湖水的物理化学特征本身由于受补给水源和深度的影响而具不均一性,并随季节温度的变化而发生调整。这些特征预示其独特的微生物生态系统和与之有关的碳循环和元素地球化学循环特征。丰富的铁、硫酸根、碳酸根和钙镁离子为其中嗜铁和嗜硫的微生物繁盛以及随后的矿化作用提供了有利的条件。藻类也具有很高的多样性并且不同种类具有明显的随季节或气温变化的特点。这些微生物活动会在湖泊沉积物中形成有机的和无机的生物标记化合物或矿物。进一步揭示这些生物标记化合物与局部环境的碳循环、元素循环、微生物生态以及相关环境变迁的关系将具有重要意义。

地质微生物学及其发展方向

地质微生物学是在20世纪末发展起来的新的地学分支,主要研究地质环境中的微生物活动过程及其形成的各种地质地球化学记录。通过对现代及地质历史上的各种地质环境,包括极高温,高压,极端酸性,碱性,高盐度,极高放射性,地球深部等环境中微生物的生存和演化,及其和地质环境的相互作用而形成的各种地球化学记录的研究,探讨微生物在过去、现在和将来对生命活动最重要的元素(C,H,O,N,S,Fe等)在全球或局部尺度上的循环作用,从而对微生物的风化作用、成矿作用、地质环境下的微生物生态链及其环境的研究提供重要的科学证据。微生物与矿物的相互作用、极端环境下的微生物和生态及分子地质微生物学是当前地质微生物学研究的重要方向。

矿物—微生物相互作用研究进展:地质微生物专栏文章评述

为适应学科发展需要，及时交流地质微生物学领域的研究成果，新辟地质微生物专栏，对近年来在微生物-矿物相互作用方面的主要研究成果进行概要介绍。专栏涉及微生物-黏土矿物的相互作用对土壤有机质保存以及土壤碳循环的影响、含方解石铜矿石微生物的氧化作用、细菌在黏土矿物表面吸附量测定方法、微生物及其碳酸酐酶在水-岩系统中对碳酸盐岩的溶蚀作用、细菌与真菌对黑云母风化作用的比较以及利用黑曲霉纯化石英砂的实验研究等。所收论文题材广泛、观点新颖，从一个侧面反映了中国在该领域的最新研究进展，具有鲜明特色，对本领域研究者有参考价值和启示作用。本期刊发该专栏的部分文章，其余部分文章将陆续刊出。

第四纪异常气候环境与地质微生物2013年度报告

第四纪异常气候下微生物的响应和反馈的研究不但对了解现代全球变暖背景下微生物与气候变化之间的关系具有启示作用,同时对也为地质历史时期微生物和环境之间的协同演化的假设提供验证的案例。因而,第四纪异常环境下地质微生物的研究是联系微生物作用的现代过程与地质过程的桥梁。该研究借助于洞穴沉积物、泥炭沉积物和长江中游的湖泊沉积等地质载体,建立评估不同环境典型微生物地质过程的分子和原子(同位素)水平的示踪技术方法,查明微生物通过影响碳循环等地质地球化学过程对地质环境的作用。在前期的研究基础上,2013年的研究取得以下重要进展:(1)利用石笋碳酸盐热释光对土壤生物过程进行了示踪,获得土壤有机质分解与微生物降解过程的信息,发现了温度对土壤呼吸的影响,为未来全球变暖下土壤碳库大小的评估提供依据;(2)对发生在全新世的一次气候异常事件进行了解剖,发现东亚季风区8.2 ka BP气候事件的石笋记录与著名的格陵兰冰芯氧同位素记录具有高度相似性,说明在北大西洋降温和东亚季风减弱之间存在密切气候耦合;(3)开发了GDGTs和霍类化合物两个表征古水文的指标,并成功地用于古环境的重建,有望为预测全球变暖过程中不断出现严重的洪灾和旱灾的预测和防范发挥作用;(4)建立了微生物脂类定量重建古温度的新方法,探索地球表层长期温度的波动,为评估自然条件下地球环境变化的频率和强度提供基础资料(;5)第四纪动物演化及其对环境变化的响应的研究,对当今全球变暖的适应性具有启示作用。

构建新型的海洋地质微生物学课程体系培养创新性学科交叉型人才

“双一流”背景下,对学科及课程建设提出了更高的要求,海洋地质微生物学是一门新兴的交叉学科,是对传统地质学和微生物学的继承与发展,为适应现代创新型人才的需求,海洋地质微生物学进行了新型的教学内容和教学实施过程的构建,并建立了科学的评价与反馈体系,目的是提高海洋地质微生物教学质量,为进一步促进学生具备创新性思维的交叉型人才的培养奠定基础。

煤地质环境微生物总基因组DNA提取方法的优化

高质量的DNA是进行分子生物学研究的基础。通过对传统DNA抽提方法(酚-氯仿法)进行改进,并以Rhodococcus sp.R04和煤粉为实验材料对细胞破碎条件进行优化,建立了一种可用于煤地质环境微生物基因组DNA高效提取的改良方法。以改良法和商业试剂盒提取煤地质环境微生物基因组DNA,通过琼脂糖凝胶电泳、细菌及古菌特异性片段的PCR扩增来评价所提取DNA的质量。改良法和试剂盒法均能获得煤地质环境微生物基因组DNA,并能用于多种特异性PCR扩增。与试剂盒提取的DNA相比,改良法获得的DNA片段主带明显,约占总DNA含量的50%,分子量大小接近23 kb,并且提取量大,约为试剂盒的5-10倍。同时,能用于如DNA文库构建和宏基因组测序等。此外,改良法所用试剂普通,价格便宜,提取的煤地质环境微生物基因组DNA质量较高,适于实验室和科学研究。