地質微生物學前言

王江海，吳酬飛中山大學海洋學院地質微生物學Geomicrobiology本文檔共65頁；當前第1頁；編輯于星期三\3點13分參考書

地質微生物學，王增林，王世虎，李希明譯，中國石化出版社有限公司出版，2010Geomicrobiology(5thEdition),HenryLutzEhrlich,DianneKNewman,CRCPress(Taylor&Francis),2008本文檔共65頁；當前第2頁；編輯于星期三\3點13分第一章緒論水,氧氣,食物,...實際上，微生物也非常重要！人類生存，哪些條件必不可少？本文檔共65頁；當前第3頁；編輯于星期三\3點13分人體與其他生命一樣，按生態(tài)學規(guī)律在一定的生態(tài)環(huán)境中生活，機體與機體外環(huán)境生態(tài)間或與機體內定居的微生物群之間的關系，分別屬于外生態(tài)學(宏觀生態(tài)學)和內生態(tài)學(微觀生態(tài)學)。腸道菌群本文檔共65頁；當前第4頁；編輯于星期三\3點13分腸道微生態(tài)在長期進化過程中，宿主與其體內寄生的微生物之間形成了相互依存、相互制約的最佳生理狀態(tài)，雙方保持著物質、能量和信息的交流，因而機體攜帶的微生物與其自身的生理、營養(yǎng)、消化、吸收和免疫等密切相關。有學者提出，一個健康人全身寄生的微生物(主要是細菌)有1271g之多，其中眼有1g、鼻有10g、口腔有20g、肺有20g、皮膚有200g，當然最多的是腸道，達1000g，總數(shù)為1014個，相當于人體細胞數(shù)(1013)的10倍。本文檔共65頁；當前第5頁；編輯于星期三\3點13分人體腸道菌群及其構成腸道菌群約有100多個種屬，400多個菌種，其中以厭氧和兼性厭氧菌為主，需氧菌較少。形態(tài)上有擬桿菌、球菌、擬球菌和梭菌。這些細菌產生的多種酶起著對人體有益、無關或有害的作用，有的是腸道定植菌，有的只是一時的過路菌。腸道是一個細菌的寄宿地或是一個發(fā)酵車間。人體功能在飲食或藥物影響下產生的腸道環(huán)境條件的改變，使腸道菌群的構成與數(shù)量也隨之改變，從而對機體的健康產生影響，首先是對腸道功能產生重要影響。因而人們要保持對健康最佳的腸道菌群構成。本文檔共65頁；當前第6頁；編輯于星期三\3點13分乳桿菌乳桿菌(Lactotacillus)是被人們最早認識、研究較多的腸道有益菌。常見實例是從20世紀20年代就開始生產飲用的人工培養(yǎng)的嗜酸乳桿菌及其接種培養(yǎng)的發(fā)酵乳和酸乳，用以糾正便秘及其它腸道疾病。乳桿菌對人體健康的有益作用：①抑制病原菌和調整正常腸道菌群②抗癌與提高免疫能力③調節(jié)血脂④乳桿菌促進乳糖代謝本文檔共65頁；當前第7頁；編輯于星期三\3點13分

雙歧桿菌雙歧桿菌(Bifidobacterium)對人體健康的作用十分明顯：①抑制腸道致病菌②抗腹瀉與防便秘③免疫調節(jié)與抗腫瘤④調節(jié)血脂⑤合成維生素和分解腐敗物本文檔共65頁；當前第8頁；編輯于星期三\3點13分腸道菌群失調腸道菌群棲息在人體的腸道中，保持微觀的生態(tài)平衡。若因機體內外原因導致平衡被破壞，而使某種或某些菌種過多或過少、外來的致病菌或過路菌的定植或增殖、某些腸道菌向腸道外其它部位轉移，引起腸道菌群失調(Entericdysbacteriosis)。引起菌群失調的原因較多，如嬰幼兒喂養(yǎng)不當、營養(yǎng)不良、年老體弱、腸道與其它系統(tǒng)的急慢性疾病、長期使用抗生素、激素、抗腫瘤藥、放療和化療等本文檔共65頁；當前第9頁；編輯于星期三\3點13分水？氧氣？食物？微生物？如果缺失如下條件，生命還能存活嗎？地質微生物學本文檔共65頁；當前第10頁；編輯于星期三\3點13分極端條件下的生命

青藏高原：冬蟲夏草寄主蝠蛾幼蟲具有耐寒和耐缺氧等特性。耐寒機理：調整體內水分(寒冷時減少水分，防止水分結晶而刺破細胞膜)；調整脂肪酸組成(寒冷時不飽和脂肪酸增加)。本文檔共65頁；當前第11頁；編輯于星期三\3點13分兩極和深海是耐寒生物的天堂

兩極和洋底是許多喜寒生物的安樂窩；它們主要是細菌或類似古菌的單細胞有機體。而生存于南極巖石上的某些苔蘚和海藻也屬喜寒生物喜寒生物一般都有特殊的細胞膜，它能產生一種蛋白質防凍劑，保證自身在極端寒冷的環(huán)境下不會硬化。英國科學家研究發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦既可生活在南極海洋的表面海域，也可生活在深達3000m的南極深海中，其適應環(huán)境的能力遠超科學家先前的估計。在這一深度的寒冷海洋里，終年無陽光、氧氣稀薄、水壓巨大、無任何海洋植物，生存條件相當惡劣，生物對此做出各種適應，最終的結果是，這里的海洋生物幾乎全部是捕食高手，而其從形狀到習性，其奇特性遠超科學家的想象

本文檔共65頁；當前第12頁；編輯于星期三\3點13分

極地冰蟲極地冰蟲被稱為地球上唯一凍不死的生物，具有科學家理想的外星生命的特質冰蟲罕見的耐寒體質可證明在外星球上也可能存在像冰蟲一樣的耐寒生物。它們在冰中自由行走，在極地低溫下活躍生存，稍微升溫便化成一團粘稠物。極地冰蟲是少數(shù)活躍在極地低溫環(huán)境下的生物之一，它們被生物學家稱為最大的無脊椎動物，冰封大地中最活躍的生物。極地冰蟲生活在終年積雪的冰川地帶。在美國阿拉斯加、英國哥倫比亞和俄勒岡州靠近極地的冰川區(qū)都可發(fā)現(xiàn)它們身影。它們個頭非常小，在雪地里就像一絲細細的小黑線本文檔共65頁；當前第13頁；編輯于星期三\3點13分在南極刺骨的環(huán)境下，其它動物幾乎被凍成冰棒，甚至連細胞都凍得“咯咯”作響。然而，這種低溫對極地冰蟲而言卻是舒適的環(huán)境?？茖W家發(fā)現(xiàn)，冰蟲的細胞膜和細胞中的酶在低溫下能正常新陳代謝，細胞膜保持固有的特性冰蟲對于喜寒生物的研究意義重大。因為太陽系所有能容納生命的環(huán)境，如火星和木衛(wèi)二，都是寒冷冰凍的環(huán)境。NASA曾出資20萬USD資助冰蟲的研究項目。冰蟲能在如此惡劣的環(huán)境中生活自如，本身就證明在冰球木星或其它星球上可能存在類似的外星生物。冰蟲在器官移植方面的價值遠比它所代表的外星生命更有現(xiàn)實意義本文檔共65頁；當前第14頁；編輯于星期三\3點13分美國NASA克里斯-麥凱認為，目前很難確定生命存在的極限低溫。隨著溫度的降低，生命發(fā)育肯定會變緩。一般認為，在12C時，某些微生物可繼續(xù)發(fā)育；在20C時，某些微生物可以存活。據(jù)悉：某些嗜冷細菌甚至可抵御250C的低溫。Christneretal.在南極鉆井的古冰核中發(fā)現(xiàn)活著的微生物。本文檔共65頁；當前第15頁；編輯于星期三\3點13分中國“蛟龍?zhí)枴痹诤５着臄z的生物照片。2013年6月27日，蛟龍?zhí)栐?000m級海試第五次下潛試驗中，最大下潛深度達到7062m，并在海底發(fā)現(xiàn)有豐富的生物多樣性存在本文檔共65頁；當前第16頁；編輯于星期三\3點13分蛟龍?zhí)栐诤５着臄z的生物照片本文檔共65頁；當前第17頁；編輯于星期三\3點13分蛟龍?zhí)栐诤５着臄z的生物照片本文檔共65頁；當前第18頁；編輯于星期三\3點13分從騰沖熱海熱泉鑒定出Thermus(棲熱菌屬)菌株。此噬菌體為長尾型，頭部直徑67nm，尾管長837nm、寬10nm，最適生長條件：溫度為65-70C，pH值為7.6。從騰沖熱海還鑒定出了硫化葉菌屬。該菌株為球形或不規(guī)則球形、嗜熱嗜酸好氧的古菌，最適生長條件：溫度為80C，pH為3。本文檔共65頁；當前第19頁；編輯于星期三\3點13分地質微生物學定義為地質學與微生物學的交叉“地質微生物學”來自于英文Geomicrobiology目前尚無統(tǒng)一的定義本文檔共65頁；當前第20頁；編輯于星期三\3點13分地質微生物學的學科地位及與相鄰學科的關系本文檔共65頁；當前第21頁；編輯于星期三\3點13分Beerstecher(1954)：研究地質歷史過程與其微生物關系的學科Kuznetsoletal.(1963)：研究具有特殊生理作用的微生物對地質過程的影響陳駿(2005)：主要研究地質環(huán)境中微生物的活動過程及其所形成的地質-地球化學記錄本文檔共65頁；當前第22頁；編輯于星期三\3點13分發(fā)展歷程(早期發(fā)現(xiàn)階段)TrichomeofBeggiatoawithsulfurgranulesinpond-waterenrichment(×5240).(CourtesyofArcuriEJ)Winogradsky從池水中發(fā)現(xiàn)能將S2-氧化成單質硫的絲狀菌Beggiatoa和能促進FeCO3氧化成Fe3+的鞘細菌LeptothrixochraceaBeijerinck&vanDelden發(fā)現(xiàn)了硫酸鹽還原菌主要集中在從土壤和水體中篩選與化學元素氧化還原相關的地質微生物，時間為19世紀本文檔共65頁；當前第23頁；編輯于星期三\3點13分發(fā)展歷程(理論發(fā)展階段)古生物的化石殘余BassBeckingetal.(1960)首次提出在自然棲息地的微生物限制性pH和Eh值理論Brock&Yellowston第一次系統(tǒng)地研究了自然界中耐高溫微生物觀察到在巖石沉淀物中的原核生物化石。如來自35億年前的西澳大利亞的皮爾巴拉山系的Warrawoona山系的地層圓的疊層石，是由像藍藻一樣的絲狀微生物形成的化石構成的本文檔共65頁；當前第24頁；編輯于星期三\3點13分發(fā)展歷程(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研究人員己從南非地下金礦3.2km深的坑道中分離到嗜熱油芽孢桿菌GE-7菌株。該菌對射線有強抗性。該強抗性可能與其很厚的細胞壁(0.8m)有關菌株GE-7用釕紅染色后的透射電鏡照片本文檔共65頁；當前第25頁；編輯于星期三\3點13分發(fā)展歷程(最新研究成果)鹽堿環(huán)境微生物研究死海高鹽，湖水略呈堿性青藏高原數(shù)千個鹽湖，鹽度0.1~426.3g/L,pH5.4~9.8已篩選獲得許多耐鹽和嗜鹽微生物，如產甲烷菌，光合菌嗜鹽古菌本文檔共65頁；當前第26頁；編輯于星期三\3點13分發(fā)展歷程(最新研究成果)白云石的生物成因白云石硫酸鹽還原菌、產甲烷菌和嗜鹽古菌在白云石形成過程中起重要作用提出了白云石形成的三種可能成因機制本文檔共65頁；當前第27頁；編輯于星期三\3點13分發(fā)展歷程(最新研究成果)干旱沙漠中的極端微生物

阿達卡瑪沙漠石膏層中藍藻形成一個綠色層。微生物生活的深度是進行光合作用的最佳深度(Dongetal.,2007)本文檔共65頁；當前第28頁；編輯于星期三\3點13分發(fā)展歷程(最新研究成果)古代沉積巖中的微生物化石DNA

Inagakietal.(2005)首次提出Paleome概念,即用保留至今的古DNA恢復過去微生物生態(tài)系統(tǒng)將微生物化石DNA應用于古環(huán)境恢復本文檔共65頁；當前第29頁；編輯于星期三\3點13分為什么要開設地質微生物學？理論意義生命起源及早期地球生物圈的演化過程？其它星球(如火星)是否存在生命體?促進地質學的發(fā)展表生地質作用(成巖成礦,風化,水質變化…成礦作用(無機礦+有機礦的成因機理…)化學元素在全球和局域尺度的循環(huán)…本文檔共65頁；當前第30頁；編輯于星期三\3點13分實踐意義

地質微生物可廣泛應用于冶金、礦產資源勘探、提高石油采收率、環(huán)境修復和生物能源開發(fā)利用等領域。該新方向的重點是礦產資源的微生物學，包括固體礦產微生物學、石油微生物學、金屬礦產微生物、干酪根(石油)等，對研究礦產資源的生成和可重復利用的礦產生成等具有重要意義，但研究者不多，開設該課程的大學也不多，但發(fā)展前景很好。

本文檔共65頁；當前第31頁；編輯于星期三\3點13分1.油藏生物作用2.土壤石油和有機污染的生物修復3.天然資源化學生物學研究4.天然資源過敏性研究5.天然生物分子的仿生合成6.礦山污染(有機+重金屬)的生物修復7.低品位礦產資源的利用技術重點研究方向本文檔共65頁；當前第32頁；編輯于星期三\3點13分地質微生物學是地質學和微生物學之間的交叉學科,在過去的十幾年中已取得了突飛猛進的發(fā)展。該研究領域涉及全球許多種極端環(huán)境，如從地下深部結晶巖、沉積巖、到現(xiàn)代超鹽度湖泊、干旱的沙漠和熱液噴口系統(tǒng)等.因為地質微生物學進展的綜述可能要用一本專著方可闡述清楚。本課程僅對地質微生物學幾個活躍的前緣研究領域進行了講述，包括大陸深部、鹽堿環(huán)境、干旱沙漠等極端環(huán)境中的微生物生態(tài)，白云巖的微生物成因，沉積巖中微生物的古DNA及其環(huán)境意義，以及海洋地質微生物學等幾個方面。這些研究證明了將地質過程和微生物作用聯(lián)系起來的重要性本文檔共65頁；當前第33頁；編輯于星期三\3點13分微生物冶金定義：是利用某些微生物或其代謝產物對某些礦物(主要為硫化礦物)和元素所具有的氧化、還原、溶解、吸收等作用，從礦石中將有價元素選擇性浸出，制備高純金屬及其材料的新技術本文檔共65頁；當前第34頁；編輯于星期三\3點13分國外研究進展abcdea：Acidithiobacillusferrooxidansb：Acidithiobacilluscaldusc：Acidithiobacillusalbertensisd：Leptospirillumferrophiliume：Acidiphiliumsp最初由Colmer&Hinkel分離得到氧化亞鐵硫桿菌,從而拉開了生物冶金細菌學的研究?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)幾十個種屬、普遍存在于浸礦廢水中嗜酸氧化亞鐵硫桿菌是目前生物冶金最有應用價值的一個種，主要生長在pH1-3的環(huán)境中本文檔共65頁；當前第35頁；編輯于星期三\3點13分1958年美國用細菌在銅礦中浸出了金屬銅；之后20多個國家的學者開展了微生物在冶金工業(yè)中的應用研究1966年加拿大在細菌浸出鈾及其工業(yè)應用研究中獲得成功，使應用微生物技術在低品位金屬礦、難浸金礦、礦冶廢料、礦冶廢料處理等方面的應用呈現(xiàn)良好的前景。已實現(xiàn)銅礦、鈾礦、金礦等一系列礦種的微生物浸出生產。南非、加拿大、美國和英國等先后也有工廠投入生產本文檔共65頁；當前第36頁；編輯于星期三\3點13分到上世紀80年代，對難浸出礦石進行細菌預氧化的工業(yè)實踐大大推進了微生物技術在礦石冶金的應用在加拿大、俄羅斯、印度等國廣泛使用細菌法溶浸鈾礦?？蓮牡推肺烩櫟V石(0.01%-0.05%U3O8)中回收鈾、而其成本僅為其它方法的一半用細菌法溶浸鎳礦石，只需5-15d，可浸出鎳80-90%，而無菌溶鎳的提取率僅為9.5-12%在微生物濕法冶金領域，大量的現(xiàn)代生物技術也相繼引入并被應用，如采用免疫熒光標記技術可進行活體檢測菌體對礦石的吸附過程;用蛋白質定量分析方法來確定菌體對礦石的吸附量等本文檔共65頁；當前第37頁；編輯于星期三\3點13分油氣藏中輕烴在壓力驅動下以微泡上浮或連續(xù)氣相流等形式沿微裂隙向上運移；輕烴進入表層時，除排放于大氣中的部分輕烴外，其余部分一是成為土壤中專性輕烴氧化菌的食物而引起輕烴氧化菌異常，二是被礦物吸附或包裹。故在油氣藏上方土壤或沉積物中形成與下伏油氣藏存在對應關系的、可檢出的微生物異常和吸附烴異常。根據(jù)檢出的輕烴氧化菌和吸附烴異常，結合地質-地震研究結果，可對油氣藏及其性質進行預測。微生物油氣勘探的原理理想的烴微滲漏剖面微生物響應本文檔共65頁；當前第38頁；編輯于星期三\3點13分微生物油氣勘探技術在全球范圍廣泛應用20多年在全世界的陸地和海域的勘探在超過50多個國家和地區(qū)完成了3000多個成功的勘探項目本文檔共65頁；當前第39頁；編輯于星期三\3點13分微生物強化采油技術定義：用微生物提高采收率技術也可以稱為四次采油技術或微生物強化采油(MEOR，MicrobialEnhancedOilRecovery)技術，它是指利用微生物生產有用的代謝產品或者利用微生物能夠分解碳氫化合物的性能，從而提高原油采收率的技術。本文檔共65頁；當前第40頁；編輯于星期三\3點13分本文檔共65頁；當前第41頁；編輯于星期三\3點13分微生物采油技術現(xiàn)狀我國先后從美、加引進微生物產品和微生物采油技術，從多方面加快我國微生物采油技術的發(fā)展。先導性試驗的油田增多，推廣速度加快。先后在新疆、大慶、大港、勝利、冀東、遼河、江漢等油田開展了微生物采油技術的推廣應用中科院上海有機所和微生物所、南開大學、山東大學等單位參加了與油田有關的聯(lián)合研究，為室內試驗盡快轉入礦場試驗發(fā)揮了積極作用本文檔共65頁；當前第42頁；編輯于星期三\3點13分微生物采油技術應用前景微生物強化采油技術歷經(jīng)半個多世紀發(fā)展已日趨成熟。許多國家已開展此項研究，大多獲得了較滿意的增產效果，尤其對稠油開采，更是其它方法無法比擬。我國絕大多數(shù)油田都已進入三次采油階段，有些油田的化學驅油也已開采十幾年，產出液含水較高，必須考慮微生物強化采油技術。同時我國稠油資源分布很廣，地質儲量達16.4億噸，陸地稠油約占石油總資源20%以上，這更為微生物采油提供了廣闊的應用前景本文檔共65頁；當前第43頁；編輯于星期三\3點13分課程主要內容生物的起源和早期歷史微生物的棲息地地質微生物的生物作用過程地質微生物學的研究方法化學元素的地質微生物相互作用化石燃料的地質微生物學本文檔共65頁；當前第44頁；編輯于星期三\3點13分生物的起源和早期歷史泛生論：一種或多種孢子重新出現(xiàn)論：原始的非氧化性的大氣有機湯理論：水溶液中無生命的有機分子表面代謝理論：自催化過程

生命起源于深海含硫的熱熔液和含鐵海水的交界處的單層硫泡沫中本文檔共65頁；當前第45頁；編輯于星期三\3點13分生物的起源和早期歷史前寒武紀生命的進化過程

1.根據(jù)有機湯假說的進化論2.根據(jù)表面代謝假說的早期進化論進化證據(jù)

微生物化石本文檔共65頁；當前第46頁；編輯于星期三\3點13分微生物的棲息地巖石圈：土壤、沉積物、巖石/礦石等水圈：海水、淡水湖泊、江河、地下水等大氣圈：大氣；具體高度范圍有爭議；受制于營養(yǎng)、水分和輻射致死因子等，使微生物不能持續(xù)生長和繁殖；提供氧氣和氮氣，并可作為微生物傳播的載體本文檔共65頁；當前第47頁；編輯于星期三\3點13分地質微生物的作用過程解決如下五個問題：分解代謝反應類型；分解代謝中能量來源；光能合成菌如何產生能量和還原力？微生物如何使有機質礦化？微生物新陳代謝產物如何引起地質過程的發(fā)生和轉化？本文檔共65頁；當前第48頁；編輯于星期三\3點13分地質微生物學的研究方法非分子生物學方法現(xiàn)場觀察：載玻片掩埋、毛細管、熒光染色法等原位地質微生物活性研究：生化標志物、同位素等現(xiàn)代地質微生物活動的原位考察：同位素標記法地質微生物學過程的實驗室重現(xiàn)表面生長增值研究有酶促和無酶促微生物的活力差異性實驗微生物轉化反應的產物研究本文檔共65頁；當前第49頁；編輯于星期三\3點13分地質微生物學的研究方法分子生物學方法磷脂脂肪酸法(PLFA)、16SrRNA法鑒定微生物菌群單細胞同位素技術、單細胞代謝技術、同位素組合技術、基因組組合技術、代謝基因的表達或表達產物的探針檢測用于推斷地質微生物進行了什么活動高通量測序分析等基因組學方法

用于解析地質微生物是如何進行活動的本文檔共65頁；當前第50頁；編輯于星期三\3點13分化學元素的地質微生物相互作用從風化巖石中分離出的C-2菌株，能在硅酸鈣為選擇性培養(yǎng)基中生長，菌落周圍的硅酸鈣發(fā)生解離現(xiàn)象硅鋁磷氮本文檔共65頁；當前第51頁；編輯于星期三\3點13分化學元素的地質微生物相互作用將消毒后的毒砂(FeSAs,Arsenopyrite)暴露在北加利福尼亞Richmond礦的地下，結果在表面長滿了Sulfobacillussp.砷銻本文檔共65頁；當前第52頁；編輯于星期三\3點13分化學元素的地質微生物相互作用汞的微生物轉化光能鐵氧化細菌；細胞表面為鐵礦物本文檔共65頁；當前第53頁；編輯于星期三\3點13分化學元素的地質微生物相互作用被錳氧化物包裹的海洋；b.細菌細胞c.細菌包裹

鉻鉬釩鈾釙硫硒本文檔共65頁；當前第54頁；編輯于星期三\3點13分澳大利亞西北部3500MaWarrawoonaGroup中的早期生命的化石殘片-疊層石(Stromatolite)(SchopfJW,1983)本文檔共65頁；當前第55頁；編輯于星期三\3點13分本文檔共65頁；當前第56頁；編輯于星期三\3點13分本文檔共65頁；當前第57頁；編輯于星期三\3點13分本文檔共65頁；當前第58頁；編輯于星期三\3點13分本文檔共65頁；當前第59頁；編輯于星期三\3點13分本文檔共65頁；當前第60頁；編輯于星期三\3點13分疊層石(Stromatolite)是前寒武紀未變質碳酸鹽沉積中常見的準化石，是以低等原核微生物藍藻為主，在生長和新陳代謝過程中引起周期性礦物沉淀、沉積物捕獲和膠結，