微生物在锰矿物形成和转变中的作用及其成矿意义

Microbe-mineral interactions affect the geochemical behaviors of a variety of elements in supergene environments. It is proved that biogenic manganese minerals has important environmental significance and resource values. This project intends to take cases of the Precambrian sedimentary manganese ore and weathered rhodochrosite-enriched strata for the study from the mineralogical point of view to reveal the microbial mineralization and supergene changes in manganese-rich sediments. Based on field geological survey and systematic mineralogical analysis of typical samples, we will focus on the types, occurrence, genesis, spatial distribution, assemblage and sequence of biogenic manganese minerals in sedimentary strata (ore). Simulation experiments will be designed and carried out to reproduce the decomposition of rhodochrosite and the oxidation of Mn (II) in solution by Mn-oxidizing bacterial, respectively. Through these experiments, we will try to disclose the mechanism at molecular level and dynamic processes of microbial - manganese mineral interactions, and examine the influences of content of organic matter, iron and redox potential on microbial- manganese minerals interactions, which will highlight the geological conditions favor for manganese biomineralization. By combining the computational simulation of the thermodynamic properties of biogenic manganese minerals, we will investigate the formation and phase transformation kinetics of biogenic manganese minerals, and to explore the metallogenic significance biomineralization.

微生物-矿物相互作用影响着多种元素的表生地球化学过程，微生物成因的锰矿物有着重要的环境意义和资源价值。本项目拟选择前寒武纪沉积锰矿层和富菱锰矿层现代风化产物为研究对象，从矿物学的角度研究富锰沉积物中的微生物矿化现象和表生变化过程。拟通过野外地质考察、典型样品的精细矿物学分析，重点研究富锰沉积地层（矿石）中与微生物活动有关的锰矿物的类型、组合、成因、空间分布和形成次序；通过锰氧化细菌氧化分解菱锰矿和溶液中Mn(II)的模拟实验和分子动力学模拟，研究微生物-锰矿物相互作用的动力学过程和微观机制，并考察有机质、铁的含量和氧化还原电位等的影响，讨论有利于锰元素微生物矿化的地质条件；结合锰矿物的热力学性质的计算，揭示微生物成因锰矿物形成和物相转变的动力学机制，并探讨其成矿意义。

本项目按照计划书的设计，以微生物-矿物相互作用为研究主题，针对锰矿物的微生物矿化和风化及其环境地球化学意义开展了系统的实验模拟和地质样品分析工作，从矿物学的角度揭示了锰的微生物氧化作用、产物及其控制重金属活动性的机制。主要进展包括三个方面：（1）广西东平锰矿的矿石矿物主要为含锰碳酸盐，存在MnCO3-CaCO3的固溶体相，其形成过程与多种金属硫化物的沉淀存在成因联系；在后期风化过程主要为Mn(II)矿物的氧化作用，形成大量Mn（IV）氧化物，其间存在微生物参与的现象。（2）基于锰氧化细菌氧化分解菱锰矿和溶液中Mn(II)的模拟实验，揭示了研究微生物-锰矿物相互作用的动力学过程和矿物相的转变路径，从微观上揭示了微生物膜在Mn氧化过程中的重要贡献；同时，还分析了环境溶液中存在的离子对锰物相转变的影响。（3）以南京栖霞山地表锰帽为研究对象，揭示了不同矿物相固定重金属的能力，除发现锰氧化物更富集砷之外，还首次发现了富锰赤铁矿极端富集砷的现象，并进一步分析了砷的价态和表面络合形式。并以此为基础，通过合成试验，揭示了锰矿物氧化砷的机制和环境效应。在项目执行期间，共发表论文10篇，其中SCI论文6篇；项目支持了4名研究生的学位论文工作，已毕业硕士研究生1名。