微生物礦化

前言

　　自然科學(xué)史中我所知道的有兩次重要的地學(xué)與生物學(xué)的結(jié)合。第一次是19世紀(jì)初發(fā)生的地質(zhì)學(xué)與生物學(xué)的宏觀層面結(jié)合，產(chǎn)生了化石層序或生物地層學(xué)，成為全球地層對(duì)比的基本手段，并在尋找石油與油源對(duì)比等礦藏資源的發(fā)現(xiàn)與開(kāi)采方面起著重要作用；另一次是20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始，通過(guò)生物微結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)和微礦物學(xué)的結(jié)合，產(chǎn)生了“生物礦化”的研究（文獻(xiàn)中稱(chēng)biomineralization，生物礦化作用，簡(jiǎn)稱(chēng)生物礦化）。生物礦化研究地球演化過(guò)程中生物，特別是微生物的生物礦化過(guò)程、礦化產(chǎn)物與礦化效應(yīng)。它將地球上有活性的生命體與無(wú)機(jī)礦物相互作用的研究追溯至約34億年前的菌藻類(lèi)，后延至今天地球表生帶微生物活體正在進(jìn)行的各類(lèi)礦化作用；觀察空間由地球擴(kuò)展到其他星球，如通過(guò)生物礦化現(xiàn)象的比較研究，探索火星的生命?！　∨c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(yīng)的微生物群體。它們“就地取食”，夜以繼日地工作，制造出結(jié)構(gòu)和功能迥異的各種生物礦物；記錄并儲(chǔ)存生命起源、生物進(jìn)化與環(huán)境演化的相關(guān)信息?！段⑸锏V化》一書(shū)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(duì)前人成果的歸納、演繹，系統(tǒng)簡(jiǎn)明地論述微生物礦化的發(fā)展歷史、理論基礎(chǔ)、研究?jī)?nèi)容和方法、應(yīng)用領(lǐng)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(shí)例，重點(diǎn)研究中國(guó)陸地趨磁細(xì)菌及其在黃土一古土壤序列中的地球化學(xué)行為與效應(yīng)、微生物礦化在環(huán)境污染與治理中的應(yīng)用、現(xiàn)代海底冷泉和高溫?zé)嵋簢姵隹诘奈⑸锏V化效應(yīng)。該書(shū)圖文并茂，是一本理論緊密聯(lián)系實(shí)際的教材與參考書(shū)。我希望它的出版發(fā)行將有益于微生物礦化和相關(guān)交叉學(xué)科的發(fā)展，有助于我國(guó)資源與環(huán)境等領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。　　賈蓉芬等作者能夠注意到人們尚未完全認(rèn)識(shí)的微生物礦化作用的重要性并出版該書(shū)是值得稱(chēng)贊的。雖然該書(shū)并不能解決和回答微生物礦化作用的所有問(wèn)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(xué)家們不畏困難、通力合作，去探索人們所不完全理解的領(lǐng)域，為科學(xué)事業(yè)做出自己的貢獻(xiàn)的精神，這樣一種精神值得包括我本人在內(nèi)的科學(xué)界同仁學(xué)習(xí)，我衷心祝賀該書(shū)的出版。

內(nèi)容概要

本書(shū)簡(jiǎn)明介紹了生物及微生物礦化的研究歷史與未來(lái)方向、微生物礦化的基本概念與原理，重點(diǎn)論述：趨磁細(xì)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(xì)菌等微生物在中國(guó)黃土(陸相沉積物)中的分布特征，礦化產(chǎn)物的類(lèi)型、地層磁效應(yīng)及其地球化學(xué)背景；微生物礦化在治理環(huán)境污染中的作用與應(yīng)用前景，尤其對(duì)石油類(lèi)污染物的追蹤與微生物降解的實(shí)驗(yàn)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(xué)、地球化學(xué)特征及其與天然氣水合物的關(guān)系；洋底高溫?zé)崛獦O端環(huán)境下微生物種群關(guān)系及其與生命起源和多金屬成礦意義。    本書(shū)適于地球科學(xué)、微生物學(xué)、海洋學(xué)、石油與天然氣科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生、研究生，以及從事相關(guān)工作的專(zhuān)業(yè)人員和廣大科技愛(ài)好者閱讀或參考。

書(shū)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(xué)概論  第一節(jié)  微生物學(xué)的研究范疇與發(fā)展    一、微生物學(xué)的地位與發(fā)展    二、微生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容  第二節(jié)  微生物的主要類(lèi)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(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)    一、微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的一般要求    二、微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型    三、細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收    四、微生物的生長(zhǎng)    五、環(huán)境因子對(duì)微生物生長(zhǎng)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(xì)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(xué)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(jī)制  第一節(jié)  晶體成核與生長(zhǎng)的物理化學(xué)規(guī)則    一、結(jié)晶成核作用的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力    二、界面自由能與臨界半徑    三、過(guò)飽和度與成核速率    四、成核途徑與Ostwald-Lussac相變說(shuō)    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(tuán)組合    二、生物大分子與水的作用    三、生物大分子對(duì)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(duì)鐵的氧化還原途徑    三、微生物礦化的強(qiáng)度表征第三章  趨磁細(xì)菌的礦化與應(yīng)用  第一節(jié)  趨磁細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)及幾株典型的純培養(yǎng)菌株    一、趨磁細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)    二、水域中的趨磁細(xì)菌    三、陸地沉積物中趨磁細(xì)菌  第二節(jié)  趨磁細(xì)菌的生態(tài)分布及其分離與培養(yǎng)    一、趨磁細(xì)菌在自然界的生態(tài)分布    二、趨磁細(xì)菌的分離與培養(yǎng)  第三節(jié)  趨磁細(xì)菌的主要生物學(xué)和生理生化特征及其遺傳進(jìn)化與分類(lèi)    一、趨磁細(xì)菌的主要形態(tài)學(xué)、生物學(xué)特征和生理生化特性    二、趨磁細(xì)菌的遺傳進(jìn)化與分類(lèi)  第四節(jié)  趨磁細(xì)菌的生物礦化作用    一、趨磁細(xì)菌的生物地球化學(xué)重要性    二、趨磁細(xì)菌的生物礦化作用  第五節(jié)  趨磁細(xì)菌中磁小體形成的分子機(jī)理    一、磁小體的主要特征和組成成分    二、與磁小體合成有關(guān)的蛋白質(zhì)家族及其編碼基因    三、磁小體形成的分子機(jī)理    四、趨磁細(xì)菌及其磁小體的應(yīng)用第四章  中國(guó)黃土微生物礦化作用與礦化環(huán)境  第一節(jié)  中國(guó)黃土的沉降特征與研究意義    一、世界黃土分布的主要特點(diǎn)    二、中國(guó)黃土分布的特點(diǎn)    三、中國(guó)黃土的分層與地層對(duì)比    四、中國(guó)黃土在全球變化研究中的作用  第二節(jié)  中國(guó)黃土微生物生物量估計(jì)與生物標(biāo)志物    一、干旱、半干旱地區(qū)微生物生物量估計(jì)    二、中國(guó)黃土有機(jī)碳的分布及一種與微生物活動(dòng)有關(guān)的熱解烴    三、中國(guó)黃土中的生物標(biāo)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(lèi)型    三、鐵載體促進(jìn)Fe(Ⅲ)從礦物釋放的有效性與速率  第四節(jié)  中國(guó)黃土中的鐵細(xì)菌和趨磁細(xì)菌    一、中國(guó)黃土中鐵細(xì)菌的類(lèi)型與分布    二、中國(guó)黃土趨磁細(xì)菌的特征與分布    三、中國(guó)黃土中鐵細(xì)菌與趨磁細(xì)菌礦化類(lèi)型  第五節(jié)  趨磁細(xì)菌提高古土壤磁化率的實(shí)驗(yàn)研究    一、富集培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)    二、生長(zhǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)    三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果    四、趨磁細(xì)菌提高古土壤磁化率的條件  第六節(jié)  中國(guó)黃土微生物礦化的地球化學(xué)證據(jù)與環(huán)境    一、MB生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)前后鐵的價(jià)態(tài)變化    二、中國(guó)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(guó)黃土的微生物礦化類(lèi)型與地球化學(xué)背景第五章  微生物礦化作用在環(huán)境污染與治理中的應(yīng)用    一、石油類(lèi)污染物的微生物礦化    二、環(huán)境中原油類(lèi)污染的穩(wěn)定同位素指紋    三、微生物對(duì)其他有機(jī)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(yīng)用及前景第六章  海底冷泉滲漏活動(dòng)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(dòng)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(dòng)區(qū)微生物活動(dòng)的生物標(biāo)志化合物    一、生物標(biāo)志化合物分析與鑒定方法    二、生物標(biāo)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(xué)特征    二、冷泉碳酸鹽巖的地球化學(xué)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(xué)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(lèi)及其進(jìn)化簡(jiǎn)述  第二節(jié)  產(chǎn)甲烷古生菌及其生物地球化學(xué)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(jī)制    三、產(chǎn)甲烷古生菌的礦物／化學(xué)制約  第三節(jié)  微生物對(duì)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(xì)菌及其氧化作用    四、微生物對(duì)熱液硫循環(huán)作用的研究參考文獻(xiàn)跋圖版

章節(jié)摘錄

　?。?）酶是生物化學(xué)反應(yīng)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(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)室，復(fù)雜有機(jī)物的合成與分解必須要有高溫、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿等劇烈條件才能進(jìn)行，而在生物體內(nèi)許多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，只改變化學(xué)反應(yīng)速率的特點(diǎn)，提高反應(yīng)速率的途徑是降低反應(yīng)物的活化能，使更多的分子進(jìn)入活化態(tài)。由于酶具有對(duì)反應(yīng)物催化高度的專(zhuān)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(yīng)速率的原因，目前認(rèn)為主要是酶與底物（反應(yīng)物）結(jié)合時(shí)，兩者構(gòu)象均能自我調(diào)節(jié)到相互耦合，底物分子會(huì)向酶活動(dòng)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(shí)底物分子發(fā)生扭曲，易于斷裂而發(fā)生反應(yīng)。另外，酶與底物形成亞穩(wěn)過(guò)渡態(tài)中間產(chǎn)物（ES），ES可迅速地分解為產(chǎn)物，酶的活動(dòng)中心的質(zhì)子供體或受體，對(duì)底物的分子進(jìn)行廣義的酸堿催化等效應(yīng)也導(dǎo)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(jī)溶劑的作用而變性或失去活性?！　。?）酶的組成與分類(lèi)。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(lái)生化實(shí)驗(yàn)揭示RNA分子也可以是高活性的酶，與蛋白酶一樣具有對(duì)產(chǎn)物生成的專(zhuān)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(gòu)建單位相比，它們僅有4種，因而它們的易變性也小得多。　　……

編輯推薦

　　《微生物礦化》適于地球科學(xué)、微生物學(xué)、海洋學(xué)、石油與天然氣科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生、研究生，以及從事相關(guān)工作的專(zhuān)業(yè)人員和廣大科技愛(ài)好者閱讀或參考。

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