微生物礦化

前言

　　自然科學史中我所知道的有兩次重要的地學與生物學的結合。第一次是19世紀初發(fā)生的地質(zhì)學與生物學的宏觀層面結合，產(chǎn)生了化石層序或生物地層學，成為全球地層對比的基本手段，并在尋找石油與油源對比等礦藏資源的發(fā)現(xiàn)與開采方面起著重要作用；另一次是20世紀70年代中期開始，通過生物微結構、生物化學和微礦物學的結合，產(chǎn)生了“生物礦化”的研究（文獻中稱biomineralization，生物礦化作用，簡稱生物礦化）。生物礦化研究地球演化過程中生物，特別是微生物的生物礦化過程、礦化產(chǎn)物與礦化效應。它將地球上有活性的生命體與無機礦物相互作用的研究追溯至約34億年前的菌藻類，后延至今天地球表生帶微生物活體正在進行的各類礦化作用；觀察空間由地球擴展到其他星球，如通過生物礦化現(xiàn)象的比較研究，探索火星的生命。　　與大氣圈和水圈直接相連的表生帶廣泛分布著與其環(huán)境相適應的微生物群體。它們“就地取食”，夜以繼日地工作，制造出結構和功能迥異的各種生物礦物；記錄并儲存生命起源、生物進化與環(huán)境演化的相關信息?！段⑸锏V化》一書的作者是微生物礦化研究方面一線研究者，是富有探索精神的研究群體。他們依據(jù)多年的研究積累和對前人成果的歸納、演繹，系統(tǒng)簡明地論述微生物礦化的發(fā)展歷史、理論基礎、研究內(nèi)容和方法、應用領域和發(fā)展方向；分章論述地球表生帶不同區(qū)域的微生物礦化實例，重點研究中國陸地趨磁細菌及其在黃土一古土壤序列中的地球化學行為與效應、微生物礦化在環(huán)境污染與治理中的應用、現(xiàn)代海底冷泉和高溫熱液噴出口的微生物礦化效應。該書圖文并茂，是一本理論緊密聯(lián)系實際的教材與參考書。我希望它的出版發(fā)行將有益于微生物礦化和相關交叉學科的發(fā)展，有助于我國資源與環(huán)境等領域的可持續(xù)發(fā)展?！　≠Z蓉芬等作者能夠注意到人們尚未完全認識的微生物礦化作用的重要性并出版該書是值得稱贊的。雖然該書并不能解決和回答微生物礦化作用的所有問題，但是我很提倡在科研條件并不優(yōu)越的情況下，具有職業(yè)精神的科學家們不畏困難、通力合作，去探索人們所不完全理解的領域，為科學事業(yè)做出自己的貢獻的精神，這樣一種精神值得包括我本人在內(nèi)的科學界同仁學習，我衷心祝賀該書的出版。

內(nèi)容概要

本書簡明介紹了生物及微生物礦化的研究歷史與未來方向、微生物礦化的基本概念與原理，重點論述：趨磁細菌的生態(tài)分布、礦化產(chǎn)物的“智能”意義，菌種及其礦化產(chǎn)物(磁小體)的培養(yǎng)與分離方法；喜鐵細菌等微生物在中國黃土(陸相沉積物)中的分布特征，礦化產(chǎn)物的類型、地層磁效應及其地球化學背景；微生物礦化在治理環(huán)境污染中的作用與應用前景，尤其對石油類污染物的追蹤與微生物降解的實驗研究；現(xiàn)代海底微生物礦化成因的冷泉碳酸鹽巖的巖石學、地球化學特征及其與天然氣水合物的關系；洋底高溫熱泉極端環(huán)境下微生物種群關系及其與生命起源和多金屬成礦意義。    本書適于地球科學、微生物學、海洋學、石油與天然氣科學和環(huán)境科學等專業(yè)的大學生、研究生，以及從事相關工作的專業(yè)人員和廣大科技愛好者閱讀或參考。

書籍目錄

序前言致謝緬懷緒論  一、生物礦化研究的回顧  二、生物礦化與生物礦物  三、生物礦化的地史演化  四、微生物礦化與資源和環(huán)境第一章  微生物學概論  第一節(jié)  微生物學的研究范疇與發(fā)展    一、微生物學的地位與發(fā)展    二、微生物學的主要研究內(nèi)容  第二節(jié)  微生物的主要類群及其在自然界中的分布    一、原核微生物    二、真核微生物    三、微生物在自然界中的分布  第三節(jié)  微生物的營養(yǎng)與生長    一、微生物對營養(yǎng)的一般要求    二、微生物的營養(yǎng)類型    三、細胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收    四、微生物的生長    五、環(huán)境因子對微生物生長的影響  第四節(jié)  微生物代謝    一、微生物的產(chǎn)能代謝    二、微生物細胞物質(zhì)合成與能量利用    三、微生物代謝的調(diào)節(jié)  第五節(jié)  微生物礦化作用    一、微生物在元素生物地球化學循環(huán)中的作用    二、微生物的生物礦化作用第二章  微生物礦化機制  第一節(jié)  晶體成核與生長的物理化學規(guī)則    一、結晶成核作用的熱力學驅(qū)動力    二、界面自由能與臨界半徑    三、過飽和度與成核速率    四、成核途徑與Ostwald-Lussac相變說    五、成核形狀    六、生物礦物與非生物礦物  第二節(jié)  生物大分子在微生物礦化中的作用    一、微生物大分子的主要元素組成與特殊的功能團組合    二、生物大分子與水的作用    三、生物大分子對礦化產(chǎn)物的控制    四、生物礦化的保真性及其產(chǎn)物的歸宿  第三節(jié)  微生物礦化方式與微生物在鐵循環(huán)中的作用    一、微生物礦化的兩種方式    二、厭氧環(huán)境下微生物對鐵的氧化還原途徑    三、微生物礦化的強度表征第三章  趨磁細菌的礦化與應用  第一節(jié)  趨磁細菌的發(fā)現(xiàn)及幾株典型的純培養(yǎng)菌株    一、趨磁細菌的發(fā)現(xiàn)    二、水域中的趨磁細菌    三、陸地沉積物中趨磁細菌  第二節(jié)  趨磁細菌的生態(tài)分布及其分離與培養(yǎng)    一、趨磁細菌在自然界的生態(tài)分布    二、趨磁細菌的分離與培養(yǎng)  第三節(jié)  趨磁細菌的主要生物學和生理生化特征及其遺傳進化與分類    一、趨磁細菌的主要形態(tài)學、生物學特征和生理生化特性    二、趨磁細菌的遺傳進化與分類  第四節(jié)  趨磁細菌的生物礦化作用    一、趨磁細菌的生物地球化學重要性    二、趨磁細菌的生物礦化作用  第五節(jié)  趨磁細菌中磁小體形成的分子機理    一、磁小體的主要特征和組成成分    二、與磁小體合成有關的蛋白質(zhì)家族及其編碼基因    三、磁小體形成的分子機理    四、趨磁細菌及其磁小體的應用第四章  中國黃土微生物礦化作用與礦化環(huán)境  第一節(jié)  中國黃土的沉降特征與研究意義    一、世界黃土分布的主要特點    二、中國黃土分布的特點    三、中國黃土的分層與地層對比    四、中國黃土在全球變化研究中的作用  第二節(jié)  中國黃土微生物生物量估計與生物標志物    一、干旱、半干旱地區(qū)微生物生物量估計    二、中國黃土有機碳的分布及一種與微生物活動有關的熱解烴    三、中國黃土中的生物標志物  第三節(jié)  異化金屬還原菌利用Fe3+的途徑與速率    一、異化金屬還原菌的功能與意義    二、異化金屬還原菌分泌的鐵載體及其類型    三、鐵載體促進Fe(Ⅲ)從礦物釋放的有效性與速率  第四節(jié)  中國黃土中的鐵細菌和趨磁細菌    一、中國黃土中鐵細菌的類型與分布    二、中國黃土趨磁細菌的特征與分布    三、中國黃土中鐵細菌與趨磁細菌礦化類型  第五節(jié)  趨磁細菌提高古土壤磁化率的實驗研究    一、富集培養(yǎng)實驗    二、生長培養(yǎng)實驗    三、實驗結果    四、趨磁細菌提高古土壤磁化率的條件  第六節(jié)  中國黃土微生物礦化的地球化學證據(jù)與環(huán)境    一、MB生長實驗前后鐵的價態(tài)變化    二、中國黃土磁性礦物及其組合特征    三、磁性礦物及微生物礦化現(xiàn)象的原位觀察    四、中國黃土的微生物礦化類型與地球化學背景第五章  微生物礦化作用在環(huán)境污染與治理中的應用    一、石油類污染物的微生物礦化    二、環(huán)境中原油類污染的穩(wěn)定同位素指紋    三、微生物對其他有機污染物的礦化作用    四、微生物礦化在環(huán)境污染處理中的應用及前景第六章  海底冷泉滲漏活動區(qū)的微生物礦化  第一節(jié)  冷泉系統(tǒng)與微生物作用    一、冷泉的概念    二、冷泉滲漏活動區(qū)的甲烷缺氧氧化作用與微生物  第二節(jié)  冷泉滲漏活動區(qū)微生物活動的生物標志化合物    一、生物標志化合物分析與鑒定方法    二、生物標志化合物  第三節(jié)  冷泉碳酸鹽巖    一、冷泉碳酸鹽巖的沉積巖石學特征    二、冷泉碳酸鹽巖的地球化學特征    三、冷泉碳酸鹽巖的沉積作用與控制因素    四、南海北部的冷泉碳酸鹽巖    五、墨西哥灣的冷泉碳酸鹽巖  第四節(jié)  冷泉系統(tǒng)微生物作用及冷泉碳酸鹽巖第七章  海底熱液環(huán)境中微生物的特征和成礦作用  第一節(jié)  海底熱液系統(tǒng)的特征和演化    一、海底熱液系統(tǒng)的基本特征及其物理化學制約    二、熱液多金屬硫化物礦床及其空間變化    三、熱液系統(tǒng)中微生物的主要種類及其進化簡述  第二節(jié)  產(chǎn)甲烷古生菌及其生物地球化學作用    一、產(chǎn)甲烷古生菌的多樣性    二、產(chǎn)甲烷古生菌的代謝途徑和產(chǎn)甲烷機制    三、產(chǎn)甲烷古生菌的礦物／化學制約  第三節(jié)  微生物對熱液和硫循環(huán)的作用    一、熱液微生物礦化    二、硫酸鹽還原菌和硫還原菌及其礦化作用    三、硫氧化細菌及其氧化作用    四、微生物對熱液硫循環(huán)作用的研究參考文獻跋圖版

章節(jié)摘錄

　?。?）酶是生物化學反應的催化劑。生物礦化是發(fā)生在生物體內(nèi)或體外的一種復雜的化學反應。在實驗室，復雜有機物的合成與分解必須要有高溫、強酸或強堿等劇烈條件才能進行，而在生物體內(nèi)許多復雜的化學反應進行得極為順利和迅速，其根本原因就是生物體內(nèi)普遍存在生物催化劑——酶。酶與非生物催化劑一樣，它們都具有用量少催化效率高，不改變化學反應的平衡點，只改變化學反應速率的特點，提高反應速率的途徑是降低反應物的活化能，使更多的分子進入活化態(tài)。由于酶具有對反應物催化高度的專一性，比一般催化劑效率高107～1013倍（分子比）。酶能極高地提高反應速率的原因，目前認為主要是酶與底物（反應物）結合時，兩者構象均能自我調(diào)節(jié)到相互耦合，底物分子會向酶活動中心靠近，趨向酶的催化部位，使活性中心微區(qū)的底物濃度極大提高，同時底物分子發(fā)生扭曲，易于斷裂而發(fā)生反應。另外，酶與底物形成亞穩(wěn)過渡態(tài)中間產(chǎn)物（ES），ES可迅速地分解為產(chǎn)物，酶的活動中心的質(zhì)子供體或受體，對底物的分子進行廣義的酸堿催化等效應也導致催化效率的提高。但是，酶與普通蛋白質(zhì)一樣，易受熱、紫外線、酸堿、有機溶劑的作用而變性或失去活性?！　。?）酶的組成與分類。酶是一種帶活性的蛋白質(zhì)或核糖核酸分子。除了已鑒定出3000種以上的蛋白酶，近年來生化實驗揭示RNA分子也可以是高活性的酶，與蛋白酶一樣具有對產(chǎn)物生成的專一性催化，催化產(chǎn)物服從米氏方程，但由于它們不能形成大的非極性分子，與蛋白質(zhì)的20種不同構建單位相比，它們僅有4種，因而它們的易變性也小得多?！　　?/pre>




編輯推薦
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