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地球微生物学

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随着海洋酸化程度增加，钙板金藻属海洋微生物Gephyrocapsa oceanica可能成为重要的碳汇。[1]

地球微生物学是地质学和微生物学交叉的科学领域，也是地球生物学的一个重要分支。它关注微生物在地质和地球化学过程中的作用，以及矿物和金属对微生物生长、活动和生存的影响。[2]这种相互作用发生在地球的地圈（岩石、矿物、土壤和沉积物）、大气层和水圈中。[3]地球微生物学研究一些驱动地球的生物地球化学循环、调节矿物的沉淀和溶解，以及吸附和浓缩金属的微生物。[4]应用包括生物修复、[5]采矿、减缓气候变化[6]和公共饮用水供应。[7]

岩石和矿物

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微生物-含水层相互作用

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微生物已知会通过改变地下水的溶解速率来影响含水层。在岩溶地貌的爱德华兹含水层中，微生物在含水层表面生长繁殖，加速了所在岩石的溶解速率 [8]

在地球上最大的含水层——海洋地壳含水层中，[9]微生物群落可以影响海洋生产力，海水中化学以及地圈中的地球化学循环。岩石的矿物组成会影响这些海底微生物群落的组成和丰度。[10]通过生物修复，一些微生物可以帮助去除受废弃物污染的含水层淡水资源中的污染物。

微生物沉淀矿物

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有些细菌会将金属离子作为它们的能量来源。它们将溶解的金属离子从一种电状态转化或化学还原为另一种电状态，这种还原释放出能量供细菌使用，同时还会将金属浓缩成最终形成矿床的物质。生物冶金学或原位开采技术是一种利用微生物过程在受控条件下攻击低品位矿石以提取金属的方法。某些含铁、含铜、含铀甚至含金矿石被认为是由微生物作用形成的。[11]

地下环境，如含水层，是储存核废料、二氧化碳（碳截存）或人工天然气储存库的理想地点。认识含水层内微生物活动的重要性在于，微生物可能会与地下储存库内的物料相互作用，进而影响其稳定性。[12]微生物与矿物之间的相互作用对于生物淤积和微生物诱导的腐蚀相当重要。材料的微生物诱发腐蚀，如碳钢，严重影响储存库或储存容器内核废料的安全储存。 [13]

环境整治

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科学家正在研究和利用微生物降解有机污染物和核废料污染，例如利用耐辐射奇异球菌等。此外，微生物还被应用于环境清理工作。地球微生物学的一个应用是生物浸出，是利用微生物从矿山废料中提取金属的一种技术。

土壤和沉积物：微生物修复

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主条目：生物修复
两位科学家正在准备混有石油的土壤样本，以测试微生物清理受污染土壤的能力。

微生物修复技术可用于去除土壤中的污染物和致污物。微生物在许多生物地球化学循环中起著关键作用，可以影响各种土壤特性，例如矿物质和金属物种的生物转化、毒性、流动性、矿物沉淀和溶解。微生物在土壤中固定各种元素和进行解毒，例如金属、放射性同位素、硫和磷等。共有十三种优先污染物，包括Sb、As、Be、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Se、Ag、Tl、Zn、Hg。[2]土壤和沉积物可作为来自天然，如岩石和矿物，或是人为源头，如农业、工业、矿业、废物处理等的金属污染物的汇。

许多重金属，例如铬（Cr），在低浓度下是土壤中必需的微量营养素，但在高浓度下肯会有毒性。重金属通过许多人为来源，例如工业和肥料等添加到土壤中。重金属与微生物的相互作用可能会增加或减少其毒性。铬的毒性、流动性和生物利用度取决于其氧化态。[14]最常见的两种铬物种是Cr(III)和Cr(VI)。Cr(VI)有高流动性、生物利用度，对动植物更具毒性，而Cr(III) 毒性较低，流动性较低，在pH大于6的土壤中容易沉淀。[15]利用微生物促进Cr(VI)向Cr(III)转化是一种环境友好、低成本的生物修复技术，有助减轻环境中毒性。[16]

酸性矿山排水

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主条目：酸性矿山排水

地球微生物学的另一个应用是生物浸出，即利用微生物从矿山废料中提取金属。例如，硫酸盐还原菌（SRB）产出H2S，将金属沉淀为金属硫化物。这个过程可以从矿山废料中去除重金属，这是与酸性矿山排水相关的重要环境问题之一。[17]

生物修复技术也广用于受污染的地表水和地下水，这些污染通常与酸性矿山排水有关。研究表明，硫酸盐还原菌等微生物产生的碳酸氢盐会增加碱度，以中和矿山排水的酸度。[5]氢离子被消耗，同时产生碳酸氢盐，可令pH值升高（即酸度降低）。[18]

碳氢化合物的微生物降解

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主条目：微生物降解

微生物的代谢过程可以影响油气储层的质量。[19]微生物可以通过存在于沉积物形成时期或在烃类生成之后在岩石柱在分散并在储藏或源层中定殖，来影响烃类的形成。

参见

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参考文献

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  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 可免费查阅. PMID 22615387. doi:10.1073/pnas.1117508109 可免费查阅. 
  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 可免费查阅. 
  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]. （原始内容存档于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]. （原始内容存档于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 可免费查阅. 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 可免费查阅. 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. 
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  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. 
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  19. ^ Leahy, J. G.; Colwell, R. R. Microbial degradation of hydrocarbons in the environment. Microbiological Reviews. 1990, 54 (3): 305–315. PMC 372779 可免费查阅. PMID 2215423. doi:10.1128/mr.54.3.305-315.1990. 

延伸阅读

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  • Ehrlich, Henry Lutz; Newman, Dianne K. (编). 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. (编). Geomicrobiology molecular and environmental perspective. Dordrecht: Springer. 2010. ISBN 978-9048192045. 
  • Nagina, Parmar; Ajay, Singh (编). Geomicrobiology and Biogeochemistry. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 2014. ISBN 978-3642418372. 

外部链接

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