地质微生物学前言

王江海，吴酬飞中山大学海洋学院地质微生物学Geomicrobiology第一页，共六十五页。参考书

地质微生物学，王增林，王世虎，李希明译，中国石化出版社有限公司出版，2010Geomicrobiology(5thEdition),HenryLutzEhrlich,DianneKNewman,CRCPress(Taylor&Francis),2008第二页，共六十五页。第一章绪论水,氧气,食物,...实际上，微生物也非常重要！人类生存，哪些条件必不可少？第三页，共六十五页。人体与其他生命一样，按生态学规律在一定的生态环境中生活，机体与机体外环境生态间或与机体内定居的微生物群之间的关系，分别属于外生态学(宏观生态学)和内生态学(微观生态学)。肠道菌群第四页，共六十五页。肠道微生态在长期进化过程中，宿主与其体内寄生的微生物之间形成了相互依存、相互制约的最佳生理状态，双方保持着物质、能量和信息的交流，因而机体携带的微生物与其自身的生理、营养、消化、吸收和免疫等密切相关。有学者提出，一个健康人全身寄生的微生物(主要是细菌)有1271g之多，其中眼有1g、鼻有10g、口腔有20g、肺有20g、皮肤有200g，当然最多的是肠道，达1000g，总数为1014个，相当于人体细胞数(1013)的10倍。第五页，共六十五页。人体肠道菌群及其构成肠道菌群约有100多个种属，400多个菌种，其中以厌氧和兼性厌氧菌为主，需氧菌较少。形态上有拟杆菌、球菌、拟球菌和梭菌。这些细菌产生的多种酶起着对人体有益、无关或有害的作用，有的是肠道定植菌，有的只是一时的过路菌。肠道是一个细菌的寄宿地或是一个发酵车间。人体功能在饮食或药物影响下产生的肠道环境条件的改变，使肠道菌群的构成与数量也随之改变，从而对机体的健康产生影响，首先是对肠道功能产生重要影响。因而人们要保持对健康最佳的肠道菌群构成。第六页，共六十五页。乳杆菌乳杆菌(Lactotacillus)是被人们最早认识、研究较多的肠道有益菌。常见实例是从20世纪20年代就开始生产饮用的人工培养的嗜酸乳杆菌及其接种培养的发酵乳和酸乳，用以纠正便秘及其它肠道疾病。乳杆菌对人体健康的有益作用：①抑制病原菌和调整正常肠道菌群②抗癌与提高免疫能力③调节血脂④乳杆菌促进乳糖代谢第七页，共六十五页。

双歧杆菌双歧杆菌(Bifidobacterium)对人体健康的作用十分明显：①抑制肠道致病菌②抗腹泻与防便秘③免疫调节与抗肿瘤④调节血脂⑤合成维生素和分解腐败物第八页，共六十五页。肠道菌群失调肠道菌群栖息在人体的肠道中，保持微观的生态平衡。若因机体内外原因导致平衡被破坏，而使某种或某些菌种过多或过少、外来的致病菌或过路菌的定植或增殖、某些肠道菌向肠道外其它部位转移，引起肠道菌群失调(Entericdysbacteriosis)。引起菌群失调的原因较多，如婴幼儿喂养不当、营养不良、年老体弱、肠道与其它系统的急慢性疾病、长期使用抗生素、激素、抗肿瘤药、放疗和化疗等第九页，共六十五页。水？氧气？食物？微生物？如果缺失如下条件，生命还能存活吗？地质微生物学第十页，共六十五页。极端条件下的生命

青藏高原：冬虫夏草寄主蝠蛾幼虫具有耐寒和耐缺氧等特性。耐寒机理：调整体内水分(寒冷时减少水分，防止水分结晶而刺破细胞膜)；调整脂肪酸组成(寒冷时不饱和脂肪酸增加)。第十一页，共六十五页。两极和深海是耐寒生物的天堂

两极和洋底是许多喜寒生物的安乐窝；它们主要是细菌或类似古菌的单细胞有机体。而生存于南极岩石上的某些苔藓和海藻也属喜寒生物喜寒生物一般都有特殊的细胞膜，它能产生一种蛋白质防冻剂，保证自身在极端寒冷的环境下不会硬化。英国科学家研究发现，南极磷虾既可生活在南极海洋的表面海域，也可生活在深达3000m的南极深海中，其适应环境的能力远超科学家先前的估计。在这一深度的寒冷海洋里，终年无阳光、氧气稀薄、水压巨大、无任何海洋植物，生存条件相当恶劣，生物对此做出各种适应，最终的结果是，这里的海洋生物几乎全部是捕食高手，而其从形状到习性，其奇特性远超科学家的想象

第十二页，共六十五页。

极地冰虫极地冰虫被称为地球上唯一冻不死的生物，具有科学家理想的外星生命的特质冰虫罕见的耐寒体质可证明在外星球上也可能存在像冰虫一样的耐寒生物。它们在冰中自由行走，在极地低温下活跃生存，稍微升温便化成一团粘稠物。极地冰虫是少数活跃在极地低温环境下的生物之一，它们被生物学家称为最大的无脊椎动物，冰封大地中最活跃的生物。极地冰虫生活在终年积雪的冰川地带。在美国阿拉斯加、英国哥伦比亚和俄勒冈州靠近极地的冰川区都可发现它们身影。它们个头非常小，在雪地里就像一丝细细的小黑线第十三页，共六十五页。在南极刺骨的环境下，其它动物几乎被冻成冰棒，甚至连细胞都冻得“咯咯”作响。然而，这种低温对极地冰虫而言却是舒适的环境。科学家发现，冰虫的细胞膜和细胞中的酶在低温下能正常新陈代谢，细胞膜保持固有的特性冰虫对于喜寒生物的研究意义重大。因为太阳系所有能容纳生命的环境，如火星和木卫二，都是寒冷冰冻的环境。NASA曾出资20万USD资助冰虫的研究项目。冰虫能在如此恶劣的环境中生活自如，本身就证明在冰球木星或其它星球上可能存在类似的外星生物。冰虫在器官移植方面的价值远比它所代表的外星生命更有现实意义第十四页，共六十五页。美国NASA克里斯-麦凯认为，目前很难确定生命存在的极限低温。随着温度的降低，生命发育肯定会变缓。一般认为，在12C时，某些微生物可继续发育；在20C时，某些微生物可以存活。据悉：某些嗜冷细菌甚至可抵御250C的低温。Christneretal.在南极钻井的古冰核中发现活着的微生物。第十五页，共六十五页。中国“蛟龙号”在海底拍摄的生物照片。2013年6月27日，蛟龙号在7000m级海试第五次下潜试验中，最大下潜深度达到7062m，并在海底发现有丰富的生物多样性存在第十六页，共六十五页。蛟龙号在海底拍摄的生物照片第十七页，共六十五页。蛟龙号在海底拍摄的生物照片第十八页，共六十五页。从腾冲热海热泉鉴定出Thermus(栖热菌属)菌株。此噬菌体为长尾型，头部直径67nm，尾管长837nm、宽10nm，最适生长条件：温度为65-70C，pH值为7.6。从腾冲热海还鉴定出了硫化叶菌属。该菌株为球形或不规则球形、嗜热嗜酸好氧的古菌，最适生长条件：温度为80C，pH为3。第十九页，共六十五页。地质微生物学定义为地质学与微生物学的交叉“地质微生物学”来自于英文Geomicrobiology目前尚无统一的定义第二十页，共六十五页。地质微生物学的学科地位及与相邻学科的关系第二十一页，共六十五页。Beerstecher(1954)：研究地质历史过程与其微生物关系的学科Kuznetsoletal.(1963)：研究具有特殊生理作用的微生物对地质过程的影响陈骏(2005)：主要研究地质环境中微生物的活动过程及其所形成的地质-地球化学记录第二十二页，共六十五页。发展历程(早期发现阶段)TrichomeofBeggiatoawithsulfurgranulesinpond-waterenrichment(×5240).(CourtesyofArcuriEJ)Winogradsky从池水中发现能将S2-氧化成单质硫的丝状菌Beggiatoa和能促进FeCO3氧化成Fe3+的鞘细菌LeptothrixochraceaBeijerinck&vanDelden发现了硫酸盐还原菌主要集中在从土壤和水体中筛选与化学元素氧化还原相关的地质微生物，时间为19世纪第二十三页，共六十五页。发展历程(理论发展阶段)古生物的化石残余BassBeckingetal.(1960)首次提出在自然栖息地的微生物限制性pH和Eh值理论Brock&Yellowston第一次系统地研究了自然界中耐高温微生物观察到在岩石沉淀物中的原核生物化石。如来自35亿年前的西澳大利亚的皮尔巴拉山系的Warrawoona山系的地层圆的叠层石，是由像蓝藻一样的丝状微生物形成的化石构成的第二十四页，共六十五页。发展历程(最新研究成果)地球深部微生物研究生物圈的下界有多深?

~4500m研究人员己从南非地下金矿3.2km深的坑道中分离到嗜热油芽孢杆菌GE-7菌株。该菌对射线有强抗性。该强抗性可能与其很厚的细胞壁(0.8m)有关菌株GE-7用钌红染色后的透射电镜照片第二十五页，共六十五页。发展历程(最新研究成果)盐碱环境微生物研究死海高盐，湖水略呈碱性青藏高原数千个盐湖，盐度0.1~426.3g/L,pH5.4~9.8已筛选获得许多耐盐和嗜盐微生物，如产甲烷菌，光合菌嗜盐古菌第二十六页，共六十五页。发展历程(最新研究成果)白云石的生物成因白云石硫酸盐还原菌、产甲烷菌和嗜盐古菌在白云石形成过程中起重要作用提出了白云石形成的三种可能成因机制第二十七页，共六十五页。发展历程(最新研究成果)干旱沙漠中的极端微生物

阿达卡玛沙漠石膏层中蓝藻形成一个绿色层。微生物生活的深度是进行光合作用的最佳深度(Dongetal.,2007)第二十八页，共六十五页。发展历程(最新研究成果)古代沉积岩中的微生物化石DNA

Inagakietal.(2005)首次提出Paleome概念,即用保留至今的古DNA恢复过去微生物生态系统将微生物化石DNA应用于古环境恢复第二十九页，共六十五页。为什么要开设地质微生物学？理论意义生命起源及早期地球生物圈的演化过程？其它星球(如火星)是否存在生命体?促进地质学的发展表生地质作用(成岩成矿,风化,水质变化…成矿作用(无机矿+有机矿的成因机理…)化学元素在全球和局域尺度的循环…第三十页，共六十五页。实践意义

地质微生物可广泛应用于冶金、矿产资源勘探、提高石油采收率、环境修复和生物能源开发利用等领域。该新方向的重点是矿产资源的微生物学，包括固体矿产微生物学、石油微生物学、金属矿产微生物、干酪根(石油)等，对研究矿产资源的生成和可重复利用的矿产生成等具有重要意义，但研究者不多，开设该课程的大学也不多，但发展前景很好。

第三十一页，共六十五页。1.油藏生物作用2.土壤石油和有机污染的生物修复3.天然资源化学生物学研究4.天然资源过敏性研究5.天然生物分子的仿生合成6.矿山污染(有机+重金属)的生物修复7.低品位矿产资源的利用技术重点研究方向第三十二页，共六十五页。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，如从地下深部结晶岩、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。本课程仅对地质微生物学几个活跃的前缘研究领域进行了讲述，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，白云岩的微生物成因，沉积岩中微生物的古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第三十三页，共六十五页。微生物冶金定义：是利用某些微生物或其代谢产物对某些矿物(主要为硫化矿物)和元素所具有的氧化、还原、溶解、吸收等作用，从矿石中将有价元素选择性浸出，制备高纯金属及其材料的新技术第三十四页，共六十五页。国外研究进展abcdea：Acidithiobacillusferrooxidansb：Acidithiobacilluscaldusc：Acidithiobacillusalbertensisd：Leptospirillumferrophiliume：Acidiphiliumsp最初由Colmer&Hinkel分离得到氧化亚铁硫杆菌,从而拉开了生物冶金细菌学的研究。现在已发现几十个种属、普遍存在于浸矿废水中嗜酸氧化亚铁硫杆菌是目前生物冶金最有应用价值的一个种，主要生长在pH1-3的环境中第三十五页，共六十五页。1958年美国用细菌在铜矿中浸出了金属铜；之后20多个国家的学者开展了微生物在冶金工业中的应用研究1966年加拿大在细菌浸出铀及其工业应用研究中获得成功，使应用微生物技术在低品位金属矿、难浸金矿、矿冶废料、矿冶废料处理等方面的应用呈现良好的前景。已实现铜矿、铀矿、金矿等一系列矿种的微生物浸出生产。南非、加拿大、美国和英国等先后也有工厂投入生产第三十六页，共六十五页。到上世纪80年代，对难浸出矿石进行细菌预氧化的工业实践大大推进了微生物技术在矿石冶金的应用在加拿大、俄罗斯、印度等国广泛使用细菌法溶浸铀矿。可从低品位铀矿石(0.01%-0.05%U3O8)中回收铀、而其成本仅为其它方法的一半用细菌法溶浸镍矿石，只需5-15d，可浸出镍80-90%，而无菌溶镍的提取率仅为9.5-12%在微生物湿法冶金领域，大量的现代生物技术也相继引入并被应用，如采用免疫荧光标记技术可进行活体检测菌体对矿石的吸附过程;用蛋白质定量分析方法来确定菌体对矿石的吸附量等第三十七页，共六十五页。油气藏中轻烃在压力驱动下以微泡上浮或连续气相流等形式沿微裂隙向上运移；轻烃进入表层时，除排放于大气中的部分轻烃外，其余部分一是成为土壤中专性轻烃氧化菌的食物而引起轻烃氧化菌异常，二是被矿物吸附或包裹。故在油气藏上方土壤或沉积物中形成与下伏油气藏存在对应关系的、可检出的微生物异常和吸附烃异常。根据检出的轻烃氧化菌和吸附烃异常，结合地质-地震研究结果，可对油气藏及其性质进行预测。微生物油气勘探的原理理想的烃微渗漏剖面微生物响应第三十八页，共六十五页。微生物油气勘探技术在全球范围广泛应用20多年在全世界的陆地和海域的勘探在超过50多个国家和地区完成了3000多个成功的勘探项目第三十九页，共六十五页。微生物强化采油技术定义：用微生物提高采收率技术也可以称为四次采油技术或微生物强化采油(MEOR，MicrobialEnhancedOilRecovery)技术，它是指利用微生物生产有用的代谢产品或者利用微生物能够分解碳氢化合物的性能，从而提高原油采收率的技术。第四十页，共六十五页。第四十一页，共六十五页。微生物采油技术现状我国先后从美、加引进微生物产品和微生物采油技术，从多方面加快我国微生物采油技术的发展。先导性试验的油田增多，推广速度加快。先后在新疆、大庆、大港、胜利、冀东、辽河、江汉等油田开展了微生物采油技术的推广应用中科院上海有机所和微生物所、南开大学、山东大学等单位参加了与油田有关的联合研究，为室内试验尽快转入矿场试验发挥了积极作用第四十二页，共六十五页。微生物采油技术应用前景微生物强化采油技术历经半个多世纪发展已日趋成熟。许多国家已开展此项研究，大多获得了较满意的增产效果，尤其对稠油开采，更是其它方法无法比拟。我国绝大多数油田都已进入三次采油阶段，有些油田的化学驱油也已开采十几年，产出液含水较高，必须考虑微生物强化采油技术。同时我国稠油资源分布很广，地质储量达16.4亿吨，陆地稠油约占石油总资源20%以上，这更为微生物采油提供了广阔的应用前景第四十三页，共六十五页。课程主要内容生物的起源和早期历史微生物的栖息地地质微生物的生物作用过程地质微生物学的研究方法化学元素的地质微生物相互作用化石燃料的地质微生物学第四十四页，共六十五页。生物的起源和早期历史泛生论：一种或多种孢子重新出现论：原始的非氧化性的大气有机汤理论：水溶液中无生命的有机分子表面代谢理论：自催化过程

生命起源于深海含硫的热熔液和含铁海水的交界处的单层硫泡沫中第四十五页，共六十五页。生物的起源和早期历史前寒武纪生命的进化过程

1.根据有机汤假说的进化论2.根据表面代谢假说的早期进化论进化证据

微生物化石第四十六页，共六十五页。微生物的栖息地岩石圈：土壤、沉积物、岩石/矿石等水圈：海水、淡水湖泊、江河、地下水等大气圈：大气；具体高度范围有争议；受制于营养、水分和辐射致死因子等，使微生物不能持续生长和繁殖；提供氧气和氮气，并可作为微生物传播的载体第四十七页，共六十五页。地质微生物的作用过程解决如下五个问题：分解代谢反应类型；分解代谢中能量来源；光能合成菌如何产生能量和还原力？微生物如何使有机质矿化？微生物新陈代谢产物如何引起地质过程的发生和转化？第四十八页，共六十五页。地质微生物学的研究方法非分子生物学方法现场观察：载玻片掩埋、毛细管、荧光染色法等原位地质微生物活性研究：生化标志物、同位素等现代地质微生物活动的原位考察：同位素标记法地质微生物学过程的实验室重现表面生长增值研究有酶促和无酶促微生物的活力差异性实验微生物转化反应的产物研究第四十九页，共六十五页。地质微生物学的研究方法分子生物学方法磷脂脂肪酸法(PLFA)、16SrRNA法鉴定微生物菌群单细胞同位素技术、单细胞代谢技术、同位素组合技术、基因组组合技术、代谢基因的表达或表达产物的探针检测用于推断地质微生物进行了什么活动高通量测序分析等基因组学方法

用于解析地质微生物是如何进行活动的第五十页，共六十五页。化学元素的地质微生物相互作用从风化岩石中分离出的C-2菌株，能在硅酸钙为选择性培养基中生长，菌落周围的硅酸钙发生解离现象硅铝磷氮第五十一页，共六十五页。化学元素的地质微生物相互作用将消毒后的毒砂(FeSAs,Arsenopyrite)暴露在北加利福尼亚Richmond矿的地下，结果在表面长满了Sulfobacillussp.砷锑第五十二页，共六十五页。化学元素的地质微生物相互作用汞的微生物转化光能铁氧化细菌；细胞表面为铁矿物第五十三页，共六十五页。化学元素的地质微生物相互作用被锰氧化物包裹的海洋；b.细菌细胞c.细菌包裹

铬钼钒铀钋硫硒第五十四页，共六十五页。澳大利亚西北部3500MaWarrawoonaGroup中的早期生命的化石残片-叠层石(Stromatolite)(SchopfJW,1983)第五十五页，共六十五页。第五十六页，共六十五页。第五十七页，共六十五页。第五十八页，共六十五页。第五十九页，共六十五页。第六十页，共六十五页。叠层石(Stromatolite)是前寒武纪未变质碳酸盐沉积中常见的准化石，是以低等原核微生物蓝藻为主，在生长和新陈代谢过程中引起周期性矿物沉淀、沉积物捕获和胶结，从而形成叠层状的生物沉积构造。因纵剖面呈向上凸起的弧