微生物誘導白云石沉淀研究進展及面臨的挑戰

趙東方，譚秀成，羅冰，王小芳，喬占峰，羅思聰

1.西南石油大學天然氣地質四川省重點實驗室，成都 610500 2.中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室西南石油大學研究分室，成都 610500 3.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院，成都 610041 4.中國石油杭州地質研究院，杭州 310023

0 引言

白云巖自首次被描述以來[1]，其成因機理和油氣礦產意義[2-4]，一直是地質學家們關注和爭論的焦點。多年以來，雖然“白云巖（石）問題”的內涵不斷地被學者們補充、完善和總結[5-7]。但其核心內容主要包括以下兩個方面：1）白云石在地質歷史時期中的分布是不均衡的[8]，其廣泛分布于古老地層中，而鮮見于全新世沉積物；2）低溫條件下（大致25 ℃~60 ℃[9]），如果不存在微生物參與，實驗室內難以沉淀“有序的”白云石[10]。針對上述問題，前人提出了多種白云石化機理模式，如滲透回流模式[11]、薩布哈模式[12]、混合水模式[13]、埋藏白云石化[14]、擬晶白云石化[15-16]、構造—熱液模式[17]等等。實際上，Neheret al.[18]很早就認識到微生物活動對沉淀白云石的潛在貢獻，但在當時并未引起學界的重視。Vasconceloset al.[19]通過實驗模擬潟湖環境，在硫酸鹽還原細菌的參與下，成功沉淀出與自然界潟湖特征類似的白云石，進而提出微生物誘導沉淀白云石模式。此后的二十余年內，該模式快速地擴展與延伸[20-26]，成為一種低溫條件下沉淀白云石的重要路徑。本文在回顧和梳理微生物誘導白云石機理和特征的基礎上，重點總結其局限性和面臨的挑戰，以期更好地審視微生物誘導模式和為“白云巖（石）問題”提供新的思考和理論依據。

1 微生物誘導白云石沉淀的機理

雖然現今很多水文環境，如海水、部分湖水和地下水等，通常對于白云石而言都是過飽和的[27]，但白云石在現代環境中的分布依然十分有限[8]。大量的研究實例都表明，動力學壁障是制約白云石難以在地表低溫條件下沉淀的主要原因[10]。主要表現在以

圖1 特定官能團破壞Mg2+水合作用的能量壁壘[45]Fig.1 Specific functional groups can break the energy barrier of Mg2+hydration[45]

圖2 微生物席內的主要功能反應、水化學性質及主要成巖礦物的縱向演化[46]Fig.2 Vertical evolution of functional reactions, hydrochemical properties, and major diagenetic minerals in microbial mats[46]

隨著現代觀測和相關模擬實驗的開展，多種微生物都被證實對白云石的沉淀有積極的促進作用。按照微生物新陳代謝方式的不同（表1），主要包含四類[46]：好氧異養型（aerobic heterotrophy）、化能硫化物氧化型（chemotrophic sulfide oxidation）、異化硫酸鹽還原型（dissimilatory sulfate reduction）、甲烷生成型（與甲烷的厭氧氧化相聯合，Methanogenesis coupled to anaerobic oxidation of methane）?？傮w而言，隨著研究的深入，誘導白云石模式中涉及微生物的運動方式（包括底棲和浮游微生物）和新陳代謝類型（包括好氧型和厭氧型）都愈發多樣，其相關的水文化學參數（淡水、海水和咸水）也愈發豐富。

表1 誘導白云石沉淀的微生物新陳代謝類型及相關條件參數（據由雪蓮等[22]; Petrashet al.[46]）Table 1 Metabolic types of microbes and environmental parameters of microbial dolomite(after Youet al.[22]and Petrashet al.[46])

2 微生物誘導沉淀白云石的潛在識別標志

針對微生物白云石，前人總結了很多潛在的識別標志。但需要注意的是，大部分識別標志都是基于現代觀察和室內培養實驗總結得出的。對于古老樣品而言，微生物成因白云石的識別依然具有挑戰性。主要表現在：1）球粒、啞鈴狀等特殊的微觀形貌并不是判識微生物成因的可靠標志；2）缺乏強力的地球化學特征約束；3）古老白云巖經歷了復雜的成巖作用，多期次的溶解—重結晶作用，使得其原始形貌和地化信號大多被破壞和覆蓋，晶形趨于呈現菱面體。

2.1 微觀形貌特征

生物誘導礦化過程中，有機大分子對礦物的形成具有明顯的影響[49]。大量的實驗觀測表明，微生物誘導形成的白云石往往呈特殊的微觀形貌，如球粒狀、啞鈴狀、花椰菜狀、納米微球粒集合體等[19,21]，并?？梢姎堄嗟腅PS（圖3）。這主要是由于在礦物生長的過程中，有機分子附著于特定的晶面上，從而產生“毒害效應”，抑制了相關晶面的生長，進而形成多樣的晶體形態[48]。實際上，正是由于這些特殊的礦物形貌與微生物存在相似之處，且常以鏈狀或簇狀集合體產出，最初曾一度被認為是“納米細菌”（nannobacteria）[50]或“納米化石”（nanofossils）[51]。隨著相關研究的深入，目前上述特殊微觀形貌特征更趨于被解釋成相關細菌經過脫水、分解、成巖壓實收縮后的殘骸化石或EPS降解礦化后的殘余[52]。

圖3 掃描電鏡下可能的微生物誘導“白云石”典型特殊微觀形貌（a）疊層石白云巖中的球粒狀形貌，燈四段，磨溪8井，5 110.4 m；（b）凝塊石白云巖中的花椰菜狀礦物結合體，燈四段，磨溪102井，5 197.53 m；（c）疊層石白云巖中的啞鈴狀形貌和EPS殘片，燈四段，磨溪105井，5 350.57 m；（d）凝塊石白云巖中的納米微球粒集合體，燈二段，康家坪剖面；（e）疊層石白云巖中的納米微球粒，燈四段，磨溪105井，5 349.37 m；（f）凝塊石白云巖中的EPS殘片，燈四段，磨溪8井，5 118.23 mFig.3 Typical microscopic morphologies of potential microbial dolomites under scanning electron microscope (SEM)(a)spherulite in stromatolitic dolomite,the 4thmember of the Dengying Formation(Z2dn4),well MX8,depth 5 110.4 m;(b)cauliflower-like mineral aggregates in thrombMoXl i t1i c0 5d,o ldoempitthe ,5Z32d5n04.5,7 w eml l;M(d X)1 na 0n2o,m de e p te trh s5p h1e9r7o.i5d3s m in; t(hcr)odmubmo b li e ti lcl sdaonl o dmf r it aeg,mt h een t2snodfmeexmt ra b ceer lol uf atrh ep oDl yemn g eyt ri incg sFuobrsmt aant i coens ((ZE2PdSn)2)i,nKsat rnogm jia apt oilnigt i cS edcotlioomn;it(ee,)Zn2adnno4m,w et eelrl spheroids in stromatolitic dolomite,Z2dn4,well MX105,depth 5 349.37 m;(f)EPS fragments in thrombolitic dolomite,Z2dn4,well MX8,depth 5 118.23 m

2.2 同位素特征

2.2.1 碳同位素特征

白云石形成過程中，微生物活動會導致碳同位素發生較為明顯的分餾[53]。研究表明，由于生物優先利用12C，使得有機質降解過程中生成HCO-3的δ13CVPDB約為-25‰[54]。正是由于這部分碳源的加入，與微生物有氧呼吸作用和硫酸鹽還原作用相關的白云石，其δ13CVPDB會在-25‰~0 范圍呈現不同程度的負偏[47,55]。同理，生物成因的甲烷以極負的碳同位素組成為特征（δ13CVPDB約為-60‰）[56]，由于甲烷厭氧氧化作用等過程相關的白云石的部分碳源于上述甲烷，導致白云石的δ13CVPDB大多介于-60‰~-25‰[53]。根據平衡原理，生物甲烷生成時，甲烷中13C相對貧乏，相應地，13C 則在HCO-3中富集[56]。這部分富13C 的HCO-3是甲烷生成作用下形成白云石的重要碳源，故這些白云石往往呈現較為顯著的碳同位素正偏（δ13CVPDB介于0‰~+26‰，多數集中在10‰左右）[20]。綜上，在生物同位素分餾的影響下，隨著碳源成因不同和混入比例的差異，微生物誘導形成白云石的δ13CVPDB可以在-60‰~+26‰之間波動（圖2）。

需要注意的是，上述碳同位素異常的特征其實更多的表現在有機成因白云石（organogenic dolomite）中。嚴格意義上而言，有機成因白云石和微生物白云石（microbial dolomite）是有差異的。前者強調白云石的碳源本質上源于有機質，其形成時間寬泛，涵蓋（準）同生期至埋藏期，因此有機成因白云石既可以是原生的，也可能是次生的；而微生物白云石更多是指微生物參與或影響下的同生期產物，且其碳同位素也一般不表現出異常特征。隨著研究的深入，微生物的生理活性被證實并不是低溫條件下催化白云石沉淀的必需因素，即使在微生物死亡或者其新陳代謝不活躍的情況下，部分有機大分子（尤其是富羧基的大分子）依然可以催化沉淀白云石[42,57]?；诖?，部分學者不再嚴格區分有機成因白云石與微生物白云石，趨于將兩者歸為“微生物催化白云石形成”的范疇[46]。相應地，“微生物白云石模式”也進一步拓展為“微生物（有機）白云石模式”。

2.2.2 非傳統同位素特征

（1）鈣同位素。鈣有6 種穩定同位素(40Ca、42Ca、43Ca、44Ca、46Ca 和48Ca)，其 中40Ca 和44Ca 豐度 最高[58]。微生物誘導碳酸鹽巖礦物沉淀過程中，由于EPS的存在以及微生物活動造成的微環境化學性質的差異，使得鈣同位素產生不同程度的分餾[59]。Krauseet al.[41]利用Desulfobulbus mediterraneus的相關培養實驗，證實了EPS及其誘導白云石中趨于富集輕鈣（40Ca），并提出上述分餾過程大致分為兩個階段，即Ca2+與微生物膜的結合階段和Ca2+進入白云石晶格階段。隨后，Krauseet al.[60]進一步利用Alcanivorax borkumensis及其誘導礦物，證實微生物活動造成的δ44Ca 分餾大致為(-1.19±0.22)‰，比非生物成因碳酸鹽礦物[61-62]分餾更明顯。此外，Bradburyet al.[63]的研究表明細菌的生長速率也是影響礦化產物中鈣同位素值的重要因素，微生物的生長速率越快，鈣同位素分餾越明顯，相應的誘導礦物的δ44Ca越偏負。鑒于微生物生長速率受水體鹽度、溫度、pH和營養元素濃度等多種因素的影響，因此，生化過程中鈣同位素的分餾機制依然較為復雜。

（2）鐵同位素。鐵有54Fe（5.84%）、56Fe（91.76%）、57Fe（2.12%）和58Fe（0.28%）這4 種穩定同位素[64]。研究發現，生物作用普遍選擇性吸收和利用輕鐵[65]，進而對鐵同位素分餾有明顯影響，并對現代表層海水溶解鐵中趨于富集56Fe有重要貢獻[66]。但即便如此，部分研究實例表明，生物誘導礦化過程中的鐵同位素分餾過程可能是復雜的過程，并不能用“生物優先富集輕鐵”來簡單概括。如，生物成因的菱鐵礦[67]和全新統的微生物碳酸鹽巖[68]中的鐵同位素幾乎沒有發生分餾現象。這可能是由于生物礦化過程中鐵同位素受到沉積環境的氧化還原條件[69-70]、微生物種類[71]、甚至是誘導礦物的化學組成[72]等多種因素的影響。

（3）鎂同位素。鎂有24Mg、25Mg 和26Mg 這3 種穩定同位素，其相對豐度分別為78.99%、10% 和11.01%[73]。目前，鎂同位素已經成功應用于白云巖成因研究[74-76]。但對于微生物成因白云石，還處于鎂同位素特征的簡要表征階段[77-78]，尚缺乏系統報道。雖然，Mavromatiset al.[79]的實驗結果表明，藍細菌參與下沉淀的碳酸鹽巖礦物與非生物成因的礦物間存在類似的鎂同位素分餾現象，即藍細菌的參與對鎂同位素的分餾作用沒有影響。但實際上，大量的研究都表明，生物礦化過程中，礦物與流體間的鎂同位素分餾機制十分復雜[76]，尚未達成共識。截至目前，生物種屬[80]、礦物類型[80]、溫度[81]、沉淀速率（有爭議）[82-83]、無定型前驅的轉化[84]、生物利用鎂元素的方式[85]等因素都可能會影響生化過程中的鎂同位素分餾。

3 微生物誘導白云石沉淀面臨的挑戰及其局限性

3.1 特殊形貌并不是判識微生物成因的可靠標志

雖然，微生物誘導的白云石往往呈特殊的微觀形貌，但大量的證據表明，這些特殊形貌并不是微生物活動的特有產物。Kirklandet al.[86]指出，非生物過程也可以形成與微生物成因白云石類似的形貌特征。Velimirov[87]基于生物學角度，認為部分特殊形貌缺乏生物成因的有效支撐，原因在于其與微生物的尺寸和生理響應等方面存在諸多矛盾。此外，Gallagheret al.[88]發現，多數微生物培養皿中的磷酸鹽含量遠高于自然環境中的常值，其可能導致結晶產物呈不規則形態。因此，所謂的生物成因的特殊形貌完全有可能是溶液中高濃度磷酸鹽形成的人為假象[88]。

實際上，諸如球粒、啞鈴狀等形貌更多地反應了晶體結晶過程的多階段性，即經歷了由不定型前驅體以球晶生長（Spherulitic growth）的結晶過程[89-90]（圖4），而與是否存在生物的參與沒有必然聯系。球晶生長過程多見于高分子和仿生領域，是一種典型的由動力學控制的非經典結晶路徑[91]。對碳酸鹽巖體系而言，當溶液呈高飽和度，或無定型前驅體與結晶相之間存在很大的溶解度差異時，往往會促進球晶生長[90]。截至目前，已有大量碳酸鹽巖礦物可以在相關條件下由球晶生長過程產出，如球霰石[92]、文石[93]、方解石[94]、單水方解石[95]、白云石[96]和水菱釔礦等[97]。

圖4 由無定型碳酸鈣經球晶生長結晶生成方解石過程的掃描電鏡照片[89]（a）無定型碳酸鈣；（b）無定型碳酸鈣和球霰石納米集合體；（c）無定型碳酸鈣和球霰石納米集合體；（d）球霰石納米集合體；（e）球霰石納米集合體；（f）球霰石納米集合體，方解石晶體首現；（g）球霰石納米集合體和方解石表面的生長階步；（h）方解石表面的生長階步；（i）球霰石納米集合體和方解石表面的生長階步Fig.4 SEM images of calcite transformed from amorphous calcium carbonate through spherulite growth and crystallization[89](a) amorphous calcium carbonate (ACC); (b) ACC and vaterite nanoaggregates; (c) ACC and vaterite nanoaggregates; (d) vaterite nanoaggregates; (e) vaterite nanoaggregates;(f)vaterite nanoaggregates and first calcite crystals;(g)calcite crystals attached to vaterite spheres with the development of growth steps on the calcite surface;(h)calcite growth steps;and(i)calcite crystals with vaterite casts

3.2 地球化學特征缺乏有力約束

針對微生物白云石，盡管學者們做了大量的地球化學工作，并嘗試利用非傳統同位素示蹤其形成過程。但總體而言，微生物白云石的地球化學特征依然缺乏強有力的約束。前文已經述及，一方面，微生物白云石并不一定都呈現出異常的碳同位素特征。另一方面，Mg、Ca、Fe等非傳統同位素在微生物白云石形成過程中應用尚不成熟，其分餾機制和相關細節還存在爭議，且缺乏確定性的研究實例。此外，古老地層的白云巖樣品必然要面臨成巖作用對目標地球化學信號的破壞與覆蓋，這極大地限制了地球化學手段在地質歷史時期的微生物白云石研究中的運用。

3.3 “白云石”并不是微生物誘導的唯一產物

微生物席（microbial mat）是由微生物群落（多以藍細菌為主）及其黏結—代謝產物構成的層狀生態系統[98]，其厚度介于數毫米至數厘米[99-100]（圖5）。微生物席垂向分異明顯：1）多呈雙層結構，上部以絲狀菌為主，具有較強的韌性，起保護作用，下部主要為球狀菌，較為致密，起穩固作用[101]；2）微生物群落常垂向分布，從上至下，依次為光合自養細菌、硫酸鹽還原細菌、化能自養細菌、硫化細菌等[102]。正是如此，微生物席內部的生化環境梯度變化非常劇烈（圖2），相應的生物礦化產物類型多達數十種[38,103]。在這樣的背景下，“白云石”僅是微生物誘導沉淀礦物的類型之一，這必然引發學者們對微生物誘導沉淀“白云石”的數量問題的思考，以及該模式能否解釋地質歷史時期規模性白云巖的疑問。當然，微生物白云石絕不僅限于微生物席內，正是目前缺乏更有效的識別標志，且后期成巖作用的改造與覆蓋，很多古老微生物白云石可能未被識別[104]。這使得微生物作用對于古老白云巖的貢獻還難以得到有效評估。

圖5 巴西LagoaVermelha 潟湖半固結的微生物席[100]，其中白色亮層為碳酸鹽礦物層Fig.5 Semi-solid microbial mat from the LagoaVermelhalagoon in Brazil[100](white bright layers consist of carbonate)

3.4 現今淺水白云石主要分布在鹽度較高的溫暖環境

雖然深海沉積物中也有白云石分布的報道[105]，但現代淺水白云石主要分布在溫暖（主要分布在緯度40°S~40°N）、較高鹽度的受限環境中（如潟湖、海灣和咸湖等）[106-125]（圖6），而在微生物席更為發育的潮坪環境中白云石卻相對匱乏[126]。這可能暗示，水化學條件和水文學條件才是影響白云石沉淀的關鍵。

圖6 現代白云石的全球主要分布（注洞穴堆積物和深海環境中的白云石并未統計）白云石統計數據：Manito湖[106-107]，Deep Springs湖[108]，Discovery海灣[109]，Vermelha潟湖和Brejo do Espinho潟湖[110-111]，Gallocanta湖[112-113]，Quaroun湖[114]，Balaton湖[115-116]，Solar湖[117]，阿布扎比coastal sabkha[118-120]，青海湖[121-122]，Coorong潟湖[123-124]，大堡礁[125]Fig.6 Global distribution of modern dolomite (note: dolomite in cave deposits and deep sea is not counted)

實際上，較高的鹽度對微生物誘導白云石沉淀有顯著的促進作用[121]。微生物適應高鹽環境的關鍵是維持細胞內外的滲透平衡[127]。研究表明，受高滲透壓脅迫，微生物的EPS生成量將會加強，這是因為EPS作為細胞和環境間的過渡屏障，其表面的多種官能團能捕獲陽離子，減緩外部離子向細胞內流入[128]。這種現象已經在多種微生物中得以證實[129-131]。此外，相對于其他蛋白質，富羧基的蛋白質在活性和穩定性都更具有優勢[132]，因此合成更多富羧基大分子是微生物適應高鹽環境另一個重要途徑。前文已述及，羧基可以有效降低Mg2+的水合作用，促進白云石生成。綜上，較高鹽度環境不僅能促進微生物分泌更多的EPS，也能增加細胞表面的羧基密度[121]，進而大大促進了白云石在低溫下成核。

3.5 地質歷史時期，白云巖豐度的變化與微生物的分布并不完全匹配

白云巖的地史分布不均衡，其主要分布于元古宙，尤其是新元古代[133]。但在地質歷史時期的演變中，白云巖的豐度變化與微生物席的分布并不完全匹配，即在微生物最為發育的古元古代和中元古代，白云巖的豐度并不大，相反在微生物已經受到一定脅迫的新元古代白云石豐度達到最大（圖7）[133-134]。值得注意的是，白云巖的豐度在新元古代達到頂峰，恰好與古海洋學家提出的“白云石海”（dolomite sea，海水的Mg∕Ca比可能大于10）的時代分布具有很好的耦合性[135-137]。最近，Dayeet al.[26]利用厭氧光合細菌成功誘導出低有序度的白云石，但上述過程必須要求一定數量Mn2+的存在，而海水富Mn正是新元古代白云石海的典型特征之一[137-138]，這也表明水化學性質的長周期變化可能對于白云石在地質歷史時期中的不均衡分布有重要貢獻。

圖7 地質歷史時期的初級生產者演化[134]和非硅酸鹽[133]的相對豐度變化Fig.7 Evolution of primary producers[134]and the relative abundance of non-siliciclastic sediments[133]through geologic history

地質學家已經認識到僅僅憑借成巖過程中的白云巖化作用似乎很難解釋地質歷史時期白云巖的非均衡分布狀況[139]。在長周期尺度上，白云巖的規模性發育與全球環境的長期變化存在聯系[140]。大量的統計資料和有關模擬結果顯示，地質歷史時期，白云巖主要分布在全球海平面上升背景下的淺水碳酸鹽巖臺地繁盛期，且大多集中在海水相對貧氧的時期[140-142]。目前，越來越多的證據表明，前寒武時期（尤其是新元古代）微生物白云石發育的環境可能比現今廣泛的多，其微生物誘導白云石的規模也可能相當巨大[103]。但毫無疑問，上述推斷尚處于探索階段，還需要更多的證據和深入的研究來予以支持。

3.6 絕大部分微生物誘導沉淀的白云石，依然是嚴格無序的

從礦物學角度而言，所謂理想有序的白云石要滿足以下兩個基本條件：1）元素成分上，Ca2+∶Mg2+≈1；2）晶體結構上，陽離子完全有序占位，Ca2+層與Mg2+層以CO2-3層為間隔，依次交替排列，互不干擾，呈現典型的R-3空間群對稱型[7,143]。基于上述特征，理想有序的白云石在X射線衍射圖譜上理應具備兩個重要的鑒別標志（圖8）：1）d104=2.88?，這意味著Mg2+含量為50%；2）出現（101）、（015）和（021）等超結構衍射線，又以（015）峰最具說服力，標志著陽離子的有序排列。

圖8 理想有序白云石與微生物誘導沉淀“白云石”的XRD 衍射圖譜特征對比Fig.8 Comparison of X-ray diffraction patterns between ordered dolomite and microbial dolomite

然而，Gregget al.[7]對前人數據加以重新評估，發現微生物誘導沉淀形成的所謂“白云石”并不是有序的，其XRD 衍射圖譜中白云石超結構衍射線并不完整或可靠（圖8）。嚴格地講，如果上述三個主要的超結構衍射線缺失兩個及以上，就基本表明晶體里的Ca2+與Mg2+的排列并不完全有序，該礦物應該更接近方解石族而不是白云石族[9]。鑒于此，大部分實驗模擬生成的微生物“白云石”本質上更可能為超高鎂方解石（VHMC）或原白云石（proto-dolomite）[7]。事實上，大量的實驗數據本身也表明，官能團對陽離子的吸附粘結趨勢存在差異[30,44]。由于Mg2+的水合能力大于Ca2+，打破Mg2+水合殼層需要更多能量，因此，EPS 優先吸附Ca2+而不是Mg2+[41]，這必然導致其礦物成分更富鈣，更趨于沉淀（超）高鎂方解石而不是白云石。但值得注意的是，由于原白云石和超高鎂方解石被認為是白云石形成過程中的前驅相或中間產物[9,96,146]，微生物活動可以在一定程度上縮短中間過程[147]，進而在合適的環境因素下，促進白云石的形成[43,148]。

4 結論與展望

微生物誘導沉淀是低溫條件下形成“白云石”的重要路徑，是對“白云巖問題”的重大補充。依靠礦物的特殊形貌來判識白云石的成因時，應該謹慎，并結合其他證據加以佐證。此外，由于目前缺乏有力的手段予以成因上約束，加之成巖改造對原始的形貌和地化特征的覆蓋，使得判識古老白云石是否為微生物誘導成因依然是困難的。在這樣的背景下，微生物作用對于古老白云巖的貢獻尚不能得到有效評估，使得該模式目前難以獨立地解釋地質歷史時期厚度達數百米甚至上千米的規模性白云巖。雖然存在上述挑戰，但由于微生物活動能促進超高鎂方解石和原白云石等中間產物的生成，顯然微生物活動有利于白云石的形成。當然，地質歷史（尤其是前寒武時期）微生物的種類、數量和生理代謝方式可能遠遠超過我們目前的認知范圍，微生物活動在白云石形成中的作用還需要進一步深入的工作。

致謝 感謝沈俊芳老師（洛陽理工學院）對理解“球晶生長”提供的幫助，感謝審稿專家的寶貴意見。