海底甲烷渗漏区的自生碳酸盐和硫化物,一方面将渗漏甲烷和海水中的硫转化并固定在海底沉积物中,调控着全球甲烷收支平衡,在全球碳、硫循环中发挥着重要作用;另一方面,也是指示天然气水合物存在的重要证据。近年来,随着海洋科学研究的深入,与自生矿物相关的研究备受关注。有关自生碳酸盐和硫化物形成机理的研究亟待开展。本文从吉林省某石油污染场地的含油污淤泥中培养,获得与海底甲烷渗漏区具备同等功能的微生物(硫酸盐还原菌和甲烷氧化菌),将其注入由课题组自主研发的低温高压反应釜中,通过实验室模拟的方法,模拟甲烷渗漏区不同温度、压力及微生物作用下,对水化学环境、组分变化及自生矿物形成的影响,探究自生矿物的形成条件,为自生碳酸盐和硫化物的形成机理研究奠定基础。研究得到以下几点成果:(1)将培养获得的微生物送至生工生物工程(上海)股份有限公司,经宏基因组16s DNA测序,获得的菌种有脱硫弧菌、假单胞菌、互营单胞菌、紫单胞菌和牦牛瘤胃菌。其中,脱硫弧菌和假单胞菌在实验中后期属于优势菌群。脱硫弧菌属于硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria,SRB),它的代谢产物有H2S和HCO3-。微生物经染色后呈红色,属革兰氏阴性菌。显微镜下观察发现,实验前—后微生物形态发生了改变,由以球菌为主变为以杆菌为主。培养结果显示,10和35oC实验中,微生物生长都经历了三个阶段。10oC时,微生物生长经历迟滞、指数和稳定三个阶段;35oC时,微生物生长经历迟滞、指数和衰亡期。(2)在5oC,8oC和10oC实验(实验压力为5.0 MPa)中,反应溶液中离子浓度和环境条件变化规律为:1微生物浓度经历了上升和下降过程,10oC最适宜微生物生长;2随着温度的升高,S2-浓度上升速率加快,达到的浓度越大;TFe实验前—后的浓度差异也越大;ORP到达最小值的时间变短,负值越大;其p H变化不大;3实验过程形成的自生碳酸盐有碳酸钙、碳酸镁、碳酸铁;形成的铁硫化物有Fe S和Fe S2。对比不同温度下形成的矿物发现,5oC形成的碳酸钙较多,且粒径更大;10oC利于菱铁矿形成,其形态较好,最大粒径可达10μm;8oC条件下,形成的铁硫化物最多,且形态最好。(3)2.5 MPa,5.0 MPa和7.5 MPa条件下,ORP维持在-50~-150 m V之间,p H的变化不大。压力越高,S2-浓度上升速率越大,达到的浓度越高;同时,微生物代谢生成HCO3-的量越大。实验压力越大,硫化物形成越多;相反,碳酸盐形成越多。(4)综合各组实验结果发现:微生物是促进自生矿物形成的重要条件,其代谢产物HCO3-和S2-,是自生碳酸盐和硫化物的形成所必需的离子。利于自生矿物形成的温度和压力为10oC和7.5 MPa。微生物代谢和自生矿物的形成作用,使得ORP和S2-浓度的对数值呈线性反相关;当ORP和S2-浓度处于该曲线以下时,是铁硫化物形成的优势区间。不同条件的实验中,HCO3-浓度变化范围为347.2~946.2 mg/L,p H在6.00~7.60之间变化。当甲烷渗漏区沉积层温度、压力、离子浓度和环境条件处于以上范围时,是自生矿物形成的优势条件。综上所述,在进行甲烷渗漏环境中自生矿物的形成研究时,运用实验模拟方法可以很好地确定自生矿物形成的微生物、温度及压力、水化学及环境条件。研究成果对自生矿物的形成机理研究具有理论和实际意义,为找寻和开发海底天然气水合物提供重要线索。本论文主体内容已被项目总报告所采纳,在项目评审中得到了专家的认可。