跳至內容

地球微生物學

維基百科，自由的百科全書
隨着海洋酸化程度增加，鈣板金藻屬海洋微生物Gephyrocapsa oceanica可能成為重要的碳匯。[1]

地球微生物學是地質學和微生物學交叉的科學領域，也是地球生物學的一個重要分支。它關注微生物在地質和地球化學過程中的作用，以及礦物和金屬對微生物生長、活動和生存的影響。[2]這種相互作用發生在地球的地圈（岩石、礦物、土壤和沉積物）、大氣層和水圈中。[3]地球微生物學研究一些驅動地球的生物地球化學循環、調節礦物的沉澱和溶解，以及吸附和濃縮金屬的微生物。[4]應用包括生物修復、[5]採礦、減緩氣候變化[6]和公共飲用水供應。[7]

岩石和礦物

[編輯]

微生物-含水層相互作用

[編輯]

微生物已知會通過改變地下水的溶解速率來影響含水層。在岩溶地貌的愛德華茲含水層中，微生物在含水層表面生長繁殖，加速了所在岩石的溶解速率 [8]

在地球上最大的含水層——海洋地殼含水層中，[9]微生物群落可以影響海洋生產力，海水中化學以及地圈中的地球化學循環。岩石的礦物組成會影響這些海底微生物群落的組成和豐度。[10]通過生物修復，一些微生物可以幫助去除受廢棄物污染的含水層淡水資源中的污染物。

微生物沉澱礦物

[編輯]

有些細菌會將金屬離子作爲它們的能量來源。它們將溶解的金屬離子從一種電狀態轉化或化學還原為另一種電狀態，這種還原釋放出能量供細菌使用，同時還會將金屬濃縮成最終形成礦床的物質。生物冶金學或原位開采技術是一種利用微生物過程在受控條件下攻擊低品位礦石以提取金屬的方法。某些含鐵、含銅、含鈾甚至含金礦石被認爲是由微生物作用形成的。[11]

地下環境，如含水層，是儲存核廢料、二氧化碳（碳截存）或人工天然氣儲存庫的理想地點。認識含水層內微生物活動的重要性在於，微生物可能會與地下儲存庫內的物料相互作用，進而影響其穩定性。[12]微生物與礦物之間的相互作用對於生物淤積和微生物誘導的腐蝕相當重要。材料的微生物誘發腐蝕，如碳鋼，嚴重影響儲存庫或儲存容器內核廢料的安全儲存。 [13]

環境整治

[編輯]

科學家正在研究和利用微生物降解有機污染物和核廢料污染，例如利用耐輻射奇異球菌等。此外，微生物還被應用於環境清理工作。地球微生物學的一個應用是生物浸出，是利用微生物從礦山廢料中提取金屬的一種技術。

土壤和沉積物：微生物修復

[編輯]
主條目：生物修復
兩位科學家正在準備混有石油的土壤樣本，以測試微生物清理受污染土壤的能力。

微生物修復技術可用於去除土壤中的污染物和致汙物。微生物在許多生物地球化學循環中起著關鍵作用，可以影響各種土壤特性，例如礦物質和金屬物種的生物轉化、毒性、流動性、礦物沉澱和溶解。微生物在土壤中固定各種元素和進行解毒，例如金屬、放射性同位素、硫和磷等。共有十三種優先污染物，包括Sb、As、Be、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Se、Ag、Tl、Zn、Hg。[2]土壤和沉積物可作爲來自天然，如岩石和礦物，或是人爲源頭，如農業、工業、礦業、廢物處理等的金屬污染物的匯。

許多重金屬，例如鉻（Cr），在低濃度下是土壤中必需的微量營養素，但在高濃度下肯會有毒性。重金屬通過許多人爲來源，例如工業和肥料等添加到土壤中。重金屬與微生物的相互作用可能會增加或減少其毒性。鉻的毒性、流動性和生物利用度取決於其氧化態。[14]最常見的兩種鉻物種是Cr(III)和Cr(VI)。Cr(VI)有高流動性、生物利用度，對動植物更具毒性，而Cr(III) 毒性較低，流動性較低，在pH大於6的土壤中容易沉澱。[15]利用微生物促進Cr(VI)向Cr(III)轉化是一種環境友好、低成本的生物修復技術，有助減輕環境中毒性。[16]

酸性礦山排水

[編輯]
主條目：酸性礦山排水

地球微生物學的另一個應用是生物浸出，即利用微生物從礦山廢料中提取金屬。例如，硫酸鹽還原菌（SRB）產出H2S，將金屬沉澱為金屬硫化物。這個過程可以從礦山廢料中去除重金屬，這是與酸性礦山排水相關的重要環境問題之一。[17]

生物修復技術也廣用於受污染的地表水和地下水，這些污染通常與酸性礦山排水有關。研究表明，硫酸鹽還原菌等微生物產生的碳酸氫鹽會增加鹼度，以中和礦山排水的酸度。[5]氫離子被消耗，同時產生碳酸氫鹽，可令pH值升高（即酸度降低）。[18]

碳氫化合物的微生物降解

[編輯]
主條目：微生物降解

微生物的代謝過程可以影響油氣儲層的質量。[19]微生物可以通過存在於沉積物形成時期或在烴類生成之後在岩石柱在分散並在儲藏或源層中定殖，來影響烴類的形成。

參見

[編輯]

參考文獻

[編輯]
  1. ^ Smith, H. E. K.; Tyrrell, T.; Charalampopoulou, A.; Dumousseaud, C.; Legge, O. J.; Birchenough, S.; Pettit, L. R.; Garley, R.; Hartman, S. E.; Hartman, M. C.; Sagoo, N. Predominance of heavily calcified coccolithophores at low CaCO3 saturation during winter in the Bay of Biscay. Proceedings of the National Academy of Sciences. 21 May 2012, 109 (23): 8845–8849. Bibcode:2012PNAS..109.8845S. PMC 3384182 可免費查閱. PMID 22615387. doi:10.1073/pnas.1117508109 可免費查閱. 
  2. ^ 2.0 2.1 Gadd, GM. Metals, minerals and microbes: geomicrobiology and bioremediation. Microbiology. 2010, 156 (3): 609–43. PMID 20019082. doi:10.1099/mic.0.037143-0 可免費查閱. 
  3. ^ U.S. Geological Survey. Facing tomorrow's challenges - U.S. Geological Survey science in the decade 2007-2017. U.S. Geological Survey Circular. 2007, 1309: 58 [2023-05-14]. （原始內容存檔於2019-09-22）. 
  4. ^ Konhauser, K. Introduction to geomicrobiology. Malden, MA: Blackwell Pub. 2007. ISBN 978-1444309027. 
  5. ^ 5.0 5.1 Kaksonen, A.H.; Puhakka, J.A. Sulfate Reduction Based Bioprocesses for the Treatment of Acid Mine Drainage and the Recovery of Metals. Engineering in Life Sciences. 2007, 7 (6): 541–564. S2CID 95354248. doi:10.1002/elsc.200720216. 
  6. ^ Mitigation of Climate Change in Agriculture (MICCA) Programme | Food and Agriculture Organization of the United Nations. www.fao.org. [2019-10-02]. （原始內容存檔於2022-10-22）. 
  7. ^ Canfield, D.E.; Kristensen, E.; Thamdrup, B. Aquatic geomicrobiology. Advances in Marine Biology 48 Transferred to digital print (London: Elsevier Acad. Press). 2005: 1–599. ISBN 978-0121583408. PMID 15797449. doi:10.1016/S0065-2881(05)48017-7. 
  8. ^ Gray, C.J.; Engel, A.S. Microbial diversity and impact on carbonate geochemistry across a changing geochemical gradient in a karst aquifer.. The ISME Journal. 2013, 7 (2): 325–337. PMC 3555096 可免費查閱. PMID 23151637. doi:10.1038/ismej.2012.105. 
  9. ^ Johnson, H.P.; Pruis, M.J. Fluxes of Fluid and Heat from the Oceanic Crustal Reservoir. Earth and Planetary Science Letters. 2003, 216 (4): 565–574. Bibcode:2003E&PSL.216..565J. doi:10.1016/S0012-821X(03)00545-4. 
  10. ^ Smith, A.R.; Fisk, M.R.; Thurber, A.R; Flores, G.E.; Mason, O.U.; Popa, R.; Colwell, F.S. Deep crustal communities of the Juan de Fuca ridge are governed by mineralogy. Geomicrobiology. 2016, 34 (2): 147–156. S2CID 131278563. doi:10.1080/01490451.2016.1155001. 
  11. ^ Rawlings, D.E. Characteristics and adaptability of iron- and sulfur-oxidizing microorganisms used for the recovery of metals from minerals and their concentrates. Microbial Cell Factories. 2005, 4 (13): 13. PMC 1142338 可免費查閱. PMID 15877814. doi:10.1186/1475-2859-4-13. 
  12. ^ Colwell, F.S.; D'Hondt, S. Nature and Extent of the Deep Biosphere. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2013, 75 (1): 547–574. Bibcode:2013RvMG...75..547C. doi:10.2138/rmg.2013.75.17. 
  13. ^ Rajala, Pauliina; Bomberg, Malin; Vepsalainen, Mikko; Carpen, Leena. Microbial fouling and corrosion of carbon steel in deep anoxic alkaline groundwater. Biofouling. 2017, 33 (2): 195–209. PMID 28198664. S2CID 3312488. doi:10.1080/08927014.2017.1285914. 
  14. ^ Cheung, K.H.; Gu, Ji-Dong. Mechanism of hexavalent chromium detoxification by microorganusms and bioremediation application potential: A review. International Biodeterioration & Biodegradation. 2007, 59: 8–15. doi:10.1016/j.ibiod.2006.05.002. 
  15. ^ Al-Battashi, H; Joshi, S.J.; Pracejus, B; Al-Ansari, A. The Geomicrobiology of Chromium (VI) Pollution: Microbial Diversity and its Bioremediation Potential. The Open Biotechnology Journal. 2016, 10 (Suppl-2, M10): 379–389. doi:10.2174/1874070701610010379 可免費查閱. 
  16. ^ Choppola, G; Bolan, N; Park, JH. Chapter two: Chromium contamination and its risk assessment in complex environmental settings. Advances in Agronomy 120. 2013: 129–172. ISBN 9780124076860. doi:10.1016/B978-0-12-407686-0.00002-6. 
  17. ^ Luptakova, A; Kusnierova, M. Bioremediation of acid mine drainage contaminated by SRB. Hydrometallurgy. 2005, 77 (1–2): 97–102. doi:10.1016/j.hydromet.2004.10.019. 
  18. ^ Canfield, D.E. Biogeochemistry of Sulfur Isotopes. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2001, 43 (1): 607–636. Bibcode:2001RvMG...43..607C. doi:10.2138/gsrmg.43.1.607. 
  19. ^ Leahy, J. G.; Colwell, R. R. Microbial degradation of hydrocarbons in the environment. Microbiological Reviews. 1990, 54 (3): 305–315. PMC 372779 可免費查閱. PMID 2215423. doi:10.1128/mr.54.3.305-315.1990. 

延伸閱讀

[編輯]
  • Ehrlich, Henry Lutz; Newman, Dianne K. (編). Geomicrobiology. 5th. Hoboken: Taylor & Francis Ltd. 2008. ISBN 978-0849379079. 
  • Jain, Sudhir K.; Khan, Abdul Arif; Rai, Mahendra K. Geomicrobiology. Enfield, NH: Science Publishers. 2010. ISBN 978-1439845103. 
  • Kirchman, David L. Processes in microbial ecology. Oxford: Oxford University Press. 2012. ISBN 978-0199586936. 
  • Loy, Alexander; Mandl, Martin; Barton, Larry L. (編). Geomicrobiology molecular and environmental perspective. Dordrecht: Springer. 2010. ISBN 978-9048192045. 
  • Nagina, Parmar; Ajay, Singh (編). Geomicrobiology and Biogeochemistry. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 2014. ISBN 978-3642418372. 

外部連結

[編輯]
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=地球微生物學&oldid=78117986」