微生物矿化
1)微生物矿化研究的背景和意义。
作为地球表面最活跃的地质力量之一，生物作用可以直接形成可燃的有机矿物。硫、磷等一些非金属矿物的生物成矿研究取得了一系列成果，金属矿床的生物成矿研究也正在深入开展。微生物可以参与许多阶段，如沉积作用、成岩作用、构造和变质作用、矿化和风化作用。但是，在不同的成矿阶段，微生物成矿的重要性和表现形式是完全不同的。具体到某一特定矿床的某一成矿阶段，某些生物作用可能占主导地位。现代生物学研究和各种实验结果(如生物矿化试验和工业废水微生物处理试验)都表明，微生物及其有机质能分离P、Fe、Mn、Mg、Cu、Pb、Zn、V、U、Cr、Ni、Mo、Co、Au、Ag、Pt、Hg、S、As、Se、Sb、I等多种稀有分散元素。综上所述，微生物参与矿床形成的途径有几种(朱世兴，1993):
(1)微生物直接聚集成矿元素的作用:微生物因生理需要，具有直接吸收和吸附多种元素或矿物质的功能。微生物具有惊人的富集多种金属元素的能力。在不同的环境条件下，它们的富集系数有很大的变化，并且存在选择性富集。例如，在主要由藻类和细菌组成的海洋生物群中，许多元素的浓度可以比海水高出数百到数十万倍。美国和加拿大的一些实验研究证明，藻类尤其是小球藻具有很强的金吸附能力，许多微生物具有惊人的聚金能力。例如，加利福尼亚州菲格罗亚湖的海藻垫含有65，438+08千克/吨的黄金。目前，除铁和锰外，金、银、铜和铅是微生物聚集中研究最广泛的金属元素。微生物矿化中微生物固定金属的机制只有两种:一种是通过介质起作用；另一种是细胞直接与金属相互作用。很多金属元素对生物的毒性很大，但生物在某些环境下对毒性的抵抗力很强。生物学家发现，生物可以通过多种方式消除这些不利因素，对一些剧毒金属有很强的吸收能力。微生物的这些抗毒机制为生物参与矿化提供了可能，因为在一些不利的环境下(如高金属浓度)，生物的抗毒功能会打破固液相之间的平衡，从而导致金属在固相中的富集。
(2)微生物的生化沉降:微生物在改变环境的理化参数方面对成矿具有普遍意义。其代谢不仅能引起相关元素结合关系的转变和新矿物的生成，还能改变周围溶液的pH值和氧化还原电位，从而创造有利于某些新矿物沉淀的微环境。比如硫化细菌可以氧化硫形成硫酸根，从而形成硫酸盐矿物；而厌氧呼吸型反硫化物细菌可以还原硫酸盐生成硫化氢，硫化氢会与金属反应生成各种金属硫化物，形成还原的金属矿物。微生物不仅在氧化条件下形成局部还原环境，还具有改变化学条件的界面。
(3)微生物的生物物理沉积作用:现代叠层石研究表明，具有粘液鞘的丝状叠层石微生物由于其动力作用(颤动和平滑)，对海水中的矿物颗粒或含矿岩屑具有很强的结合和捕获作用。微生物形成的叠层石柱及其组成的生物礁突然改变(降低)水动力条件，使搬运的矿物或含矿碎屑在叠层石柱之间或其生物礁前后发生物理沉积富集。
(4)微生物产生的有机物参与矿化:微生物死亡后可代谢或分解产生各种有机物，如有机酸、有机碱、有机胶体、含碳物质等。这些有机质热稳定性低，对成矿元素的活化、迁移、沉淀和富集起着重要作用。这些有机物质中的一部分形成络合物——与金属形成螯合物并进入沉积物，在成岩过程中释放金属或被取代形成更稳定的络合物；有些(有机胶体和颗粒)可以通过物理吸附富集大量金属离子。有些(如有机碳)是还原剂，将可溶性高价离子还原成不溶性低价离子，从而沉淀富集。例如，在日本，用含腐植酸的污泥处理重金属废水时，汞、镉、铜、镍、锌等离子体的去除率达98%以上。在国内，用腐植酸煤和腐植酸树脂处理含汞、铅、镉、铜、锌、铬、镍、钴等离子体的工业废水实验也取得了理想的效果。近年来对矿床流体包裹体中有机质的研究进一步表明，有机质是微生物参与成矿的证据之一。
2)微生物矿化的研究内容。
(1)生物矿化的证据和迹象。为了开展这项工作，我们首先要有充分的证据和生物矿化的迹象。因此，需要研究三个方面:①古生物及其生物沉积构造(如叠层石、晶核、珠粒、凝块等。)进行了综合研究，提出了生物成矿的直接证据；②分别对含矿岩系、含矿层和夹层进行生物矿物晶体学、微量元素、稳定同位素和有机地球化学研究，确定生物成矿的间接标志及其标志物的类型和特征；③通过含矿岩系与非含矿岩系及其他含矿岩系的对比，确定与矿床有关的古生物、生物地球化学标志的特征及专属关系。
(2)生物矿化的模式和机制。(1)将上述古生物和生物地球化学资料与矿床形成的地质背景、岩相古地理、矿石构造和构造资料相结合，提出生物成矿模式和机制的推断意见；(2)开展模拟实验，结合其他实验结果(如工业废水处理的大量实验数据)丰富和完善上述推理认识，最终对生物矿化的模式和机理提出科学意见。
(3)矿物分带与生物相分带的关系。为探索新的找矿标志，应做好以下工作:①研究矿床中的矿物分带，了解其特定的时空分布规律；②研究矿床中古生物相和沉积相的分带，阐明其与矿物相分带的关系；③研究确定不同矿带的生物地球化学和生物标志物特征(朱世兴，1993)。
通过以上研究，最终以新的数据和观点总结出不同矿床的分布规律和找矿方向。它不仅有科学的成矿理论，而且指出了实用的找矿标志。在上述研究中，应主要研究生物矿化的证据和标志，因为它们是形成结论的出发点和最基本的立足点。
3)微生物矿化的新进展。
对微生物矿化研究较多的矿物主要有铁、锰、金、铜、硫、磷等。(尹鸿福等，1994)。
对于铁矿石来说，微生物矿化是肯定的。生物气铁矿、湖泊铁矿和海洋铁矿曾被认为是细菌起源。越来越多的微体化石在前寒武纪条带状含铁建造中被发现，如中国、澳大利亚和加拿大与微生物作用有关的铁矿床。但生物成矿的直接证据并不多，仍取决于沉积环境中存在的“生物成因结构”。近年来发现了一类能在其细胞内合成磁铁矿的趋磁细菌，为细菌参与成矿作用提供了直接证据，这是铁生物成矿作用研究的重大进展。日本和中国学者报道，现代生物条带状铁矿和古代微生物铁矿(龙轩型)在结构上有许多相似之处。
对锰矿床生物成矿作用的研究很多，如乌克兰的Nikopol、奥地利的Tannengebirge、格鲁吉亚的Chiatura、澳大利亚的Groote Eylandt和我国的湘潭型锰矿床，但大多是根据生物成因结构推断为生物成矿作用。在中国南方震旦系碳酸锰矿床中发现了清晰的沉积和同位素地球化学证据，表明有机质积极参与了成矿过程。近年来，从海底锰结核中分离出一系列氧化锰细菌，并进一步发现许多锰结核是锰超叠层石。这一发现开辟了锰生物成矿的新研究方向——超叠层石与锰矿的关系。近年来，在东太平洋克拉里昂-克利珀顿海盆发现多金属结核中的锰矿物是生物成因的，结核的外壳是生物叠层石。首次发现太平洋球虫和中国放线菌只存在于叠层石的生物结构中，表明它们是生物成因结核，并认为结核中的铁、锰等成矿元素是海底纳米生物从海水溶液中吸收到体内，死亡后残留的产物。中国学者也提出了铁、锰分异的微生物学证据。
金通常是一种不活跃的元素，但在生物中却非常活跃。黄金具有显著的生物特性，有许多生物可以积累黄金。南非威特沃特斯兰德砂砾岩型金铀矿床研究较多，其中许多纤维状颗粒显示出生物结构。也有很多关于砂金生化成因的研究，比如阿拉斯加和中国的砂金，被认为与细菌作用有关。阿拉斯加砂金矿发现了金矿化的微生物结构。在金完全溶解后，可以看到一个类似于土壤微生物的孢子，这是金的微生物矿化研究中最重大的进展。在第30届国际地质大会上，有许多关于微生物与金矿床的成因关系的论文。近年来国内外取得了重要进展，如发现了块金中细菌和微生物的结构，还报道了某些种类的藻类具有明显的富集金的能力。从中国四川白孔沟龙沟金矿分离的细菌和霉菌具有很强的聚金能力。它们具有双重功能，在生长的前期和中期吸附和积累金，在生长的后期还原金。
对于铜、铅、锌等硫化物矿床，首先，生物及其有机质可以还原或代谢有机硫化物，提供S2-；其次，许多微生物，如真菌的孢子和菌丝，可以吸收相当数量的铜、铅和锌。生物成矿作用的研究主要集中在元古代含叠层石的层控铜矿床、含铜页岩中的铜矿床、密西西比河谷铅锌矿床和同生喷流型铅锌矿床。在现代大洋中脊的温泉喷口附近可以看到这种微生物矿化，在这里生活着摄取喷口喷出的铜、铅和锌的细菌等微生物。
也有许多关于硫、磷和其他矿物的微生物矿化的研究。此外，一些铀、钨、银和铝土矿的微生物成矿作用研究也取得了一些成果。
4)微生物矿化的重点研究方向。
微生物矿化的理论研究开展较晚，需要研究的领域很多。可以重点研究以下几个方面(尹鸿福，1994):
(1)“生物-有机-流体”成矿系统研究。目前，生物成矿研究虽然获得了许多微生物参与成矿的证据，但仍缺乏对生物成矿的系统研究，孤立的生物成矿研究难以取得大的突破。有必要从发展的角度研究生物矿化的演化。因此，研究“生物-有机-流体”成矿系统就显得尤为重要。这就是从成矿系统的发展和联系的观点来研究生物成矿作用的演化，即系统地研究从生物的成矿作用(如预富集)到生物对各种有机物的成矿作用(如溶解和富集)，再到有机流体的成矿作用。
盆地-造山带中普遍存在“生物-有机-流体”成矿系统。早在20世纪70年代初，人们就已经注意到油气矿床与某些金属矿床之间的可能成因和空间关系。例如，加拿大西北部艾伯特油田附近发现了Pinepat的大型铅锌矿，索马里含油气区发现了科罗拉多高原型K-V-U矿床。近年来，不仅在油气区发现了一些金属矿床，而且进一步发现油气田可能与一些活性金属矿床有成因联系。目前，研究已发展到讨论含油气盆地中金属矿床的相对位置和普查标志的阶段，涉及汞、锑、铀、钼、金、铜、铅、锌等多种矿床。对与油气矿床伴生的金属矿床中包裹体的研究表明，金属矿床的成矿流体类似于油田卤水，成矿流体中的有机质也具有类似的性质。“生物-有机-流体”成矿系统的研究揭示了两类矿床的本质联系:原始盆地沉积时，大量生物为油气的形成奠定了物质基础，同时预富集了成金属物质，为金属矿床的形成提供了物质基础；在成岩过程中，生物转化为有机质和有机热流体，能溶解、提取和富集成金属物质；在原始盆地造山活动中，有机热流体向造山带迁移，流体携带大量成矿物质，使金属成矿物质迁移。不同流体(如油气盆地中的有机流体和造山带中富含金属的流体)的循环和汇合，最终会导致金属矿床的形成。该成矿系统的研究不仅可以完善和深化上述生物成矿和流体成矿理论，而且可以指导找矿工作。
(2)综合对比研究了现代和古代生物成矿的机制和条件。从过去讨论现在是地球科学领域的一个重要原则。对生物成矿的许多认识也来源于对现代生物成矿的直接观察和研究，如大洋中脊温泉喷口区的生物成矿、大洋锰结核的细菌成因、砂金矿的细菌或生物化学成因、合成磁铁矿的趋磁细菌的发现等。现代生物成矿作用的研究有助于我们了解生物成矿作用的机制，如生物富集和金属沉淀的方式，以及矿化所涉及的生物物理和形态特征。只有解决了这些问题，才能对古代典型矿床的生物成矿作用进行令人信服的研究，了解岩石沉积、成岩、变质作用不同阶段古生物的变化和作用，了解古生物成矿过程，避免仅从形态特征来讨论生物成矿作用。因此，研究近现代地质历史中的生物成矿作用，即研究生物成矿作用形成的矿床，是生物成矿理论的一个非常重要的研究方向。
(3)从生物地理学其他相关分支的角度综合研究微生物成矿作用:生物成矿作用是生物学和沉积科学之间的边缘学科。其研究必须与生物地理学的相关学科相结合，如生物矿化和生物地球化学。比如有的细菌吸附后会还原金离子并长成晶体，金晶体长大后会从细菌上脱落。因此，有必要从生物成矿的角度对这些细菌引起的金结晶进行详细研究，以区分这些矿物的有机成因和无机成因，为生物成矿提供证据，发展生物成矿理论。
总之，必须从两个方面研究和发展生物成矿理论:一是研究生物内部因素如生物成矿的机制和过程，二是研究外部条件如沉积环境。总之，系统、全面、系统地研究生物矿化的演化是发展生物矿化理论的关键。