康衛(wèi)華 ，程從雨 ，李 為 ,2，余龍江 ,2

（1. 華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物技術(shù)系資源生物學(xué)與生物技術(shù)研究所, 湖北 武漢 430074；2. 分子生物物理教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430074）

0 引 言

二氧化碳（CO2）等溫室氣體排放引起的全球氣候變化正威脅著生態(tài)系統(tǒng)的平衡和人類生存[1]。碳酸鹽巖是已知的地球上最大的碳庫，全球巖溶分布面積為2.2×107km2[2]。由于具有富碳、富鈣、偏堿的特性，巖溶生態(tài)系統(tǒng)是一個水-二氧化碳-碳酸鹽巖-生物相互作用的特殊生態(tài)系統(tǒng)，因此，巖溶碳循環(huán)活躍，對全球碳循環(huán)具有重要作用和影響[3]。為了實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，我國明確提出要持續(xù)鞏固提升巖溶碳匯能力，助力實現(xiàn)碳中和。

碳酸鹽巖是可溶性巖，易通過巖溶作用回收大氣中的 CO2[4]，使大氣圈的CO2被不斷沉降，以無機碳的形式進入到土壤圈和水圈中，并通過遷移、轉(zhuǎn)化等一系列動態(tài)過程，積極參與全球碳循環(huán)，產(chǎn)生碳匯效應(yīng)。近期研究表明，全球碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯通量為3.6～4.4 億t·a-1[5]，中國碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的碳匯通量約為0.3～0.72 億t·a-1[6]。另一方面，不少學(xué)者認為，地質(zhì)歷史時期在生物的催化和調(diào)控作用下，碳酸鹽巖的沉積也可吸收大氣CO2從而產(chǎn)生巨大的匯效應(yīng)[7,8]。因此，加強對碳酸鹽巖風(fēng)化和沉積過程的研究將有助于研究巖溶碳循環(huán)和增加巖溶碳匯量。

碳酸鹽巖表面分布著各種微小生物，其適應(yīng)力強，能夠通過自身的新陳代謝和群落內(nèi)的交互網(wǎng)絡(luò)影響周圍環(huán)境[9]。研究表明，碳酸鹽巖風(fēng)化形成的溶解性無機碳（DIC）可以被水生光合生物或微生物固定下來[10-12]，間接地調(diào)控氣候變化[13]。丁麗君等[14]通過實驗證明，微生物對碳酸鈣（CaCO3）的溶解作用相較物理和化學(xué)作用更大。在巖溶環(huán)境中，微生物不僅能加速巖溶作用，促進碳酸鹽巖風(fēng)化和CO2沉降[15-17]，也能利用大氣中的CO2誘導(dǎo)碳酸鹽的形成[18]。此外，微藻在巖溶碳循環(huán)中表現(xiàn)為凈碳匯效應(yīng)[19]。總之，微型生物（微生物及微藻）廣泛參與碳酸鹽巖的風(fēng)化和沉積過程，在巖溶碳循環(huán)中起重要作用。

碳酸酐酶（Carbonic anhydrase，CA）是一種含鋅的金屬酶，能高效催化CO2的水合反應(yīng)（CO2+H2O?HCO3-+H-）[20]。研究發(fā)現(xiàn)，CA 及產(chǎn)CA 微生物廣泛分布于巖溶區(qū)的土壤和水體中[21-25]，而且CA 在巖溶環(huán)境中具有較好的相對穩(wěn)定性[26]。巖溶環(huán)境中一些金屬離子如鋅、鎂、鈷等或陰離子如SO42-, H2PO4-,NO3-等能促進微生物胞外CA 酶活性的表達[27-29]。CA 及產(chǎn)CA 的微型生物能顯著促進碳酸鹽巖的溶蝕[15-17,30-32]，并且在一定條件下也能顯著促進碳酸鹽巖的沉積[33-40]。目前，CA 在碳捕集與封存技術(shù)（CCS）中的應(yīng)用已成為研究熱點之一[41]，同時，越來越多的研究者開始關(guān)注如何利用CA 或產(chǎn)CA 微生物來增加巖溶地區(qū)的碳儲量從而增加巖溶碳匯。

盡管微型生物及其碳酸酐酶在巖溶碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用這一觀點已被人們普遍接受，但之前人們主要關(guān)注于巖溶區(qū)促進碳酸鹽巖風(fēng)化和沉積的微生物類型，及其對碳酸鹽巖的溶解速率和沉積形成的晶體形態(tài)等方面的影響，而對于微型生物對巖溶碳循環(huán)的實際貢獻及其作用機理尚沒有完整且明確的認識。本文主要對微型生物及其碳酸酐酶在碳酸鹽巖風(fēng)化和沉積過程中的作用及其機制方面的研究成果進行回顧，同時指出在微型生物及其CA 對巖溶生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)作用的研究中所面對的挑戰(zhàn)，旨在為深入研究微型生物及其碳酸酐酶對巖溶碳匯的貢獻，增加巖溶生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力，助力實現(xiàn)碳中和提供參考。

1 微型生物在碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯中的作用及其機制

碳酸鹽巖與CO2和水接觸發(fā)生溶蝕即碳酸鹽巖風(fēng)化，該過程可表示為[7]：

由式（1）與式（2）可知，1 mol 石灰?guī)r或0.5 mol白云巖被溶蝕，就會從環(huán)境中吸收1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCO3-，形成巖溶碳匯。傳統(tǒng)觀點認為，硅酸鹽巖風(fēng)化能實現(xiàn)對大氣CO2的捕獲和穩(wěn)定儲存[42]，由碳酸鹽巖風(fēng)化捕獲的CO2會由于脫氣重新釋放到大氣中，其碳匯效應(yīng)的穩(wěn)定性受到質(zhì)疑[43]。近年來，隨著巖石風(fēng)化碳匯研究的逐漸深入，有學(xué)者指出，由于碳酸鹽巖風(fēng)化導(dǎo)致的大氣CO2匯因未考慮生物作用可能被大大低估了[44]。劉再華等[13,45-46]發(fā)現(xiàn)水生光合生物可以將DIC 吸收并轉(zhuǎn)化為內(nèi)源性有機碳，形成更為穩(wěn)定的碳匯。在此基礎(chǔ)上，提出了水-巖-氣-生相互作用的碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯模型，大氣CO2通過巖溶作用最終會進入水圈，然后作為碳源被水生光合生物等利用，發(fā)生“無機碳→有機碳→惰性有機碳”的遷移轉(zhuǎn)化過程，進而形成長期穩(wěn)定的碳匯[10]?？梢?，微型生物在碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯形成過程中的作用不容忽視。

目前，有關(guān)微型生物及其CA 對碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯作用的研究主要是基于室內(nèi)模擬實驗，而且主要著眼于微型生物及其CA 對碳酸鹽巖風(fēng)化或溶蝕的促進作用從而增加巖溶碳匯。

1.1 與碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯相關(guān)的微型生物及其作用

碳酸鹽巖表面營養(yǎng)貧乏、環(huán)境惡劣，但已有研究表明，其上有較為豐富的微生物群落，如Tang 等[47]從白云巖和石灰?guī)r中分離純化得到分別屬于變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）的65 株細菌以及屬于子囊菌門（Ascomycota）的17 株真菌，這些微生物能夠在碳酸鹽巖這種特殊生境中生存。已有大量實驗結(jié)果證明，微生物能廣泛參與碳酸鹽巖的風(fēng)化過程，如丁麗君和連賓[14]通過搖瓶實驗發(fā)現(xiàn)，從貴州金陽的碳酸鹽巖樣本中篩選分離得到的細菌、真菌和放線菌對碳酸鹽巖的風(fēng)化具有促進作用；本課題組通過土柱實驗發(fā)現(xiàn)，從巖溶區(qū)土壤中篩選出的兩株產(chǎn)CA 的芽孢桿菌（Bacillussp.）GLRT102Ca 和 JFSRT303 能夠促進土壤-石灰?guī)r系統(tǒng)中Ca2+和Mg2+的遷移[15]；Wu 等[48]對從幕阜山廢棄碳酸鹽巖礦山篩選出的一株可以分泌乙酸的菌株Bacillus megatheriumNL-7 進行碳酸鹽巖孵育實驗，結(jié)果表明，NL-7 可促進碳酸鹽巖的風(fēng)化；Wu 等[49]從白云巖周圍土壤中篩選出一株蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）NL-11，發(fā)現(xiàn)其能夠顯著增加Ca2+和Mg2+的釋放，從而促進碳酸鹽巖溶解；Pastore等[50]發(fā)現(xiàn)以假單胞菌目（Pseudomonadales）和腸桿菌目（Enterobacteriales）為主的磷溶解菌的豐度與白云巖、石灰?guī)r等鈣質(zhì)巖石的風(fēng)化速率呈正相關(guān)。風(fēng)化速率的提升意味著有更多的CO2以無機碳（溶解性CO2或HCO3-）形式進入土壤和地下水中，并通過微藻和其它自養(yǎng)微型生物的作用轉(zhuǎn)化為有機碳組分。謝騰祥等[51]發(fā)現(xiàn)微藻可以通過利用CaCO3溶蝕所形成的 DIC 這種間接方式來利用CaCO3碳源，且在隔離空氣CO2的環(huán)境下，微藻對CaCO3碳源的利用份額明顯大于開放環(huán)境。本課題組通過野外中宇宙微藻培養(yǎng)實驗，發(fā)現(xiàn)微藻每年轉(zhuǎn)化無機碳為相對穩(wěn)定有機碳的量平均為4 207.5 t C·a-1，其中約28.7%的HCO3-來自巖溶地下河的補給（巖溶地下河中碳酸鹽巖溶蝕會產(chǎn)生HCO3-）[52]。

微生物CA 在碳酸鹽巖風(fēng)化過程中亦起重要作用。本課題組通過搖瓶實驗證明了GLRT102Ca 產(chǎn)生的胞外CA 能夠顯著促進石灰石中Ca2+的釋放，驅(qū)動石灰?guī)r的溶解[30]；同時，對從巖溶區(qū)土壤分離的真菌（Penicilliumsp.）進行了研究，結(jié)果表明，真菌可以通過分泌CA、酸性分泌物和菌絲體的包裹作用促進石灰?guī)r溶解[16]；并通過添加萊茵衣藻（Chlamynonas reinhardtii）的土柱模擬實驗發(fā)現(xiàn)，萊茵衣藻及其CA能夠較好地驅(qū)動石灰?guī)r土壤中的鈣元素遷移，促進石灰?guī)r的溶解[53]。而且，本課題組[54]通過搖瓶實驗比較研究了不同種類微生物及其CA 對CO2-H2O-碳酸鹽系統(tǒng)中碳酸鹽巖的溶蝕作用效果，發(fā)現(xiàn)3 種產(chǎn)CA 的典型微生物對石灰?guī)r和白云巖都有明顯的溶蝕作用，其中真菌的溶蝕效果最為顯著，且微生物CA 對石灰?guī)r具有明顯的酶促溶蝕效果；利用純化的細菌CA，通過流動溶蝕實驗證明了細菌CA 可以促進碳酸鹽巖溶蝕，增加CO2-H2O-碳酸鹽系統(tǒng)中以DIC 形式捕獲的CO2，估算結(jié)果表明，細菌CA 對石灰?guī)r系統(tǒng)捕獲CO2的貢獻率至少為18.9%，對白云巖系統(tǒng)至少為22.1%[32]；在丫吉巖溶試驗場野外進一步開展了施加產(chǎn)CA 微生物的原位微宇宙土柱實驗，發(fā)現(xiàn)巖溶作用強度最高的埡口土壤中產(chǎn)CA 細菌的豐度占比最大，證明產(chǎn)CA 細菌豐度對巖溶作用強度具有顯著的促進作用[17]；綜合野外原位土柱實驗和室內(nèi)土柱模擬實驗結(jié)果，對西南巖溶區(qū)由于土壤微生物及其CA 的作用每年增加的土壤碳儲存量進行了估算，結(jié)果表明，其增加的碳儲量與2015 年中國火電廠的碳排放量（數(shù)據(jù)來源于中國統(tǒng)計年鑒）相當(dāng)，巖溶區(qū)土壤微生物及其CA 具有不容忽視的碳增匯潛力[55]。另一方面，王倩等[56]發(fā)現(xiàn)，硅藻分泌的CA能加速催化來自大氣中CO2的水合反應(yīng)，吸收大氣中的CO2，從而抑制CO2濃度的升高, 使巖溶水的pH 值降低，進而溶蝕碳酸鹽巖，活化巖石圈，硅藻通過CA 的參與不但滿足其生理需要，而且還通過碳酸鹽巖的溶解促進元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，對于全球碳循環(huán)具有重要意義。此外，Xie 等[31]發(fā)現(xiàn)微藻的胞外CA 能促進石灰?guī)r的溶解；Li 等[57]通過研究巖溶土壤微生物、CA 和石灰?guī)r溶蝕速率之間的關(guān)系推斷出土壤微生物分泌的CA 對促進HCO3-的產(chǎn)生具有重要作用，進而影響碳酸鹽巖溶蝕速率；肖雷雷[58]通過膠質(zhì)芽孢桿菌和構(gòu)巢曲霉CA 基因的異源表達及礦物溶解試驗證明了微生物CA 可以直接參與礦物巖石的風(fēng)化；李永雙等[59]在云南省建水縣巖溶區(qū)的根際土壤中篩選了一株能夠高產(chǎn)CA 的沙雷氏菌屬（SerratiaBizio）細菌，通過盆栽模擬實驗證明，該菌株能夠顯著提高碳酸鹽巖的溶蝕速率。

微型生物對碳酸鹽巖風(fēng)化作用的效果受到諸多因素的影響。Xie 等[60]通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，pH 值從7 升到9 時，會使微藻介導(dǎo)的方解石溶解速率降低；本課題組[17]通過野外土柱實驗研究土壤微生物及CA 對巖溶作用強度的影響及其主要影響因素，發(fā)現(xiàn)巖溶區(qū)不同地貌部位表層土壤的巖溶作用強度表現(xiàn)為埡口＞坡地＞洼地，巖溶作用強度與土壤pH 及交換性鈣呈顯著負相關(guān)，與總有機碳（TOC）含量呈顯著正相關(guān)。

總之，微型生物在碳酸鹽巖風(fēng)化中發(fā)揮著重要作用，微型生物能夠加快碳酸鹽巖的風(fēng)化，影響巖溶作用的速率。但是，由于環(huán)境條件會影響微生物的生長代謝，微生物在碳酸鹽巖風(fēng)化中的作用存在異質(zhì)性，需要進一步弄清在典型巖溶系統(tǒng)碳酸鹽巖風(fēng)化中發(fā)揮作用的微生物類群，挖掘?qū)μ妓猁}巖風(fēng)化具有較強作用的菌種資源。

1.2 微型生物在碳酸鹽巖風(fēng)化碳匯中的作用機制

微型生物在碳酸鹽巖風(fēng)化中發(fā)揮的作用機制主要表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）微型生物的化學(xué)降解作用。微生物代謝分泌的有機酸或有機配體(基)促進碳酸鹽巖的風(fēng)化[19]，Pastore 等[50]發(fā)現(xiàn)，在白云巖表面土壤中存在的鏈霉菌可以通過產(chǎn)生以葡萄糖酸為主的有機酸提高白云巖的巖溶速率；王建萍等[61]發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽細菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分泌的胞外有機酸均能促進方解石的溶蝕和Ca2+的釋放，且不同有機酸對方解石的溶蝕效果不同；連賓等[62]指出，藻類通過分泌酸性代謝產(chǎn)物可以促進碳酸鹽巖的溶蝕。

（2）微型生物的機械物理作用。微生物生長所產(chǎn)生的機械物理作用力能夠破碎礦物顆粒，減小礦物顆粒的粒度，使其產(chǎn)生更易被侵蝕的表面[19]。例如，Li 等[16,63]在施用微生物的碳酸鹽巖溶蝕實驗中發(fā)現(xiàn)石灰石表面被真菌菌絲體包裹著，且真菌(Trichotheciumspp.)的菌絲體能侵蝕到石灰?guī)r的深處，使石灰石的表面發(fā)生變化，表明菌絲體的包裹作用是影響石灰?guī)r溶解的重要因素之一。連賓等[62]也指出，在碳酸鹽巖上生長的苔蘚和地衣會因失水干燥而卷起，使其附著的石灰?guī)r產(chǎn)生大量的碳酸鹽巖小顆粒，大大加速了碳酸鹽巖的風(fēng)化和破壞。

（3）微型生物的酶促巖溶作用。微生物會分泌酶（如CA）來加速碳酸鹽巖的風(fēng)化[19]。已有研究證明，微生物產(chǎn)生的CA 有助于碳酸鹽巖中鈣離子的溶出，從而加速巖溶過程[30,32]。Xiao 等[64]通過研究粘性芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）中CA 基因的表達調(diào)控以及觀察導(dǎo)入了CA 基因的基因工程菌在方解石溶解實驗中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)微生物CA 對礦物風(fēng)化具有促進作用，為微生物CA 促進碳酸鹽巖的溶蝕提供了直接證據(jù)。此外，有學(xué)者對微生物及其CA 促進碳酸鹽巖風(fēng)化作用增加巖溶土壤碳匯的機制進行研究，認為CA 催化CO2的水合反應(yīng)，加速碳酸鹽巖的風(fēng)化或溶蝕，從而提供DIC，微生物可能會利用DIC生成土壤有機碳，從而增加巖溶土壤碳匯[55]。

上述三種作用機制是相互聯(lián)系的，如微生物的機械作用將碳酸鹽巖破碎成粒度更小的顆粒，使其分泌的有機酸或胞外酶的活性作用面增大，微型生物通過這三種作用機制的有機結(jié)合，廣泛參與碳酸鹽巖的風(fēng)化過程，促進碳酸鹽巖的溶蝕，吸收大氣CO2，增加巖溶碳匯。

2 微型生物在碳酸鹽巖沉積碳匯中的作用及其機制

碳酸鹽沉積在全球地質(zhì)碳循環(huán)中起著決定性的作用[65]，其中最主要的是CaCO3沉積。通常形成的CaCO3晶體有三種，即方解石、球霰石和文石，CaCO3沉積主要包括以下過程[66]：

其中反應(yīng)（4）的速率最慢，是整個過程的限速步驟。

碳酸鹽巖的形成是無機和有機相結(jié)合過程，其中，微生物起到了極為重要的作用。微生物沉積碳酸鹽是一種普遍的現(xiàn)象，在固存大氣CO2和緩解溫室效應(yīng)[67]等方面發(fā)揮著重要作用。

目前，有關(guān)微型生物及其CA 對碳酸鹽巖沉積碳匯的作用的研究報道主要是基于室內(nèi)模擬實驗研究，且主要著眼于微型生物及其CA 捕獲大氣CO2，誘導(dǎo)CaCO3的形成，促進碳酸鹽巖的沉積，增加巖溶碳匯的相關(guān)研究。

2.1 微型生物在碳酸鹽巖沉積碳匯中的作用

早在1973 年，Boquet 等[68]就通過實驗首次發(fā)現(xiàn)土壤細菌能夠誘導(dǎo)CaCO3的形成，并指出在適宜的條件下，大多數(shù)微生物都具有誘導(dǎo)形成碳酸鹽礦物的能力。自此，微生物沉積碳酸鹽的能力不斷被證實, Banks 等[69]從珊瑚中分離出51 種可培養(yǎng)的細菌，多為變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria），并分析了這些細菌沉淀CaCO3的能力，結(jié)果表明，這些細菌大多能沉淀CaCO3礦物形成方解石和球霰石；Couradeau 等[70]發(fā)現(xiàn)，從墨西哥一處湖泊中得到的一株藍細菌（CandidatusGloeomargarita lithophora gen. et sp. nov.）可在堿性條件下于細胞內(nèi)生成無定形CaCO3；Han等[71]發(fā)現(xiàn)，從白云巖中分離的蠟樣芽胞桿菌（Bacillus cereus）可以利用大氣中的CO2誘導(dǎo)CaCO3的產(chǎn)生；Liu 等[72]從毛烏素沙漠中分離出六株細菌，分別屬于節(jié)桿菌屬（Arthrobactersp.）、紅球菌屬（Rhodococcussp.）、Planococcus sp.、鏈霉菌屬（Streptomycessp.）和微桿菌屬（Microbacteriumsp.），發(fā)現(xiàn)它們均能誘導(dǎo)方解石和球霰石的形成，并通過穩(wěn)定碳同位素示蹤技術(shù)證明沉積物中的碳來源于大氣CO2，表明大氣CO2可以通過微生物沉積碳酸鹽被捕獲。

鈣化也稱石灰化，是碳酸鹽沉積物的一種，巖溶區(qū)微藻的生物鈣化現(xiàn)象尤為顯著。Liu 等[73]利用單生卵囊藻（Oocystis solitaria Wittr）進行的模擬實驗表明，巖溶區(qū)水生微藻能利用 HCO3-進行光合作用吸收CO2，同時，Ca2+與CO32-結(jié)合在微藻表面形成CaCO3。汪智軍等[74]總結(jié)了與鈣化沉積相關(guān)的生物群落，包括原核生物（古菌、光合細菌、藍細菌等）、真核藻類（綠藻和硅藻等）以及真菌和地衣（子囊菌等）等，這些生物都廣泛參與了鈣化沉積。

微型生物產(chǎn)生的CA 也能夠促進CaCO3的沉積。本課題組比較了是否存在細菌的體系以及CA 酶活性是否被抑制的體系中細菌CA 對方解石的沉積效果，認為細菌CA 作為催化劑參與了方解石的沉積[34]；進一步從細菌培養(yǎng)液中得到純化的CA，研究比較了細菌CA 與牛CA、牛血清蛋白、谷氨酸等生物因素對CaCO3沉積速率的影響，結(jié)果表明，細菌CA 與牛CA 都能促進CaCO3的沉積[33]。劉璐等[75]通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）MF-2 菌株產(chǎn)生的胞外CA 可以加速大氣中CO2的水合反應(yīng)，顯著促進CaCO3沉淀，形成的碳酸鹽礦物以方解石為主，含少量球霰石；Cizer 等[76]研究表明，CA 能顯著增強CaCO3的礦化速率，有利于形成穩(wěn)定的方解石晶體，并顯著影響方解石晶體的形態(tài)；Lü等[40]在重慶雪峪洞分離到一株產(chǎn)CA 的細菌（Lysinibacillussp.），并通過添加CA 抑制劑的室內(nèi)模擬實驗證明CA 能顯著促進碳酸鹽礦物包括方解石、球霰石和兩種礦物混合物的形成。此外，有一些研究者對利用基因工程技術(shù)獲得的CA 進行了研究，如Kanth 等[77]將杜氏藻（Dunaliella）中的αCA 基因克隆出來在大腸桿菌中進行表達，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表達出來的CA 在含Ca2+的溶液中能吸收利用CO2制備方解石；Xiao 等[39]通過構(gòu)建產(chǎn)CA 的工程菌探究異源表達的CA 對碳酸鹽形成的影響，結(jié)果表明CA 可以通過捕獲CO2形成CaCO3晶體。這些研究有助于開發(fā)高效的基于CA的CO2轉(zhuǎn)化/捕獲系統(tǒng)。

微型生物誘導(dǎo)碳酸鹽巖的形成是一個多因素參與的復(fù)雜過程，與微生物種類及其分泌的物質(zhì)（酶、多肽和蛋白質(zhì)等）、環(huán)境條件（pH、溫度、離子濃度等）等多方面因素有關(guān)。Dhami 等[78]用從石灰性土壤中分離出的5 種不同形態(tài)的芽孢桿菌誘導(dǎo)CaCO3的形成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同形態(tài)的芽孢桿菌誘導(dǎo)形成的CaCO3晶型不同，但多為方解石和球霰石，表明CaCO3的形態(tài)與微生物的種類有關(guān)。除了不同的微生物對CaCO3的沉積有影響外，不同的環(huán)境因素也對碳酸鹽巖的形成產(chǎn)生影響。Liu 等[79]的研究表明，Ca2+礦化速率隨Ca2+濃度的增加而降低，但礦化量隨著Ca2+濃度的增加而增加，且隨著CaCl2投加量的增加，枯草芽孢桿菌（B. subtilis）誘導(dǎo)的CaCO3逐漸從無定型CaCO3轉(zhuǎn)變?yōu)榍蝣笔?。周雪瑩等[80]的研究表明，有無氮源會影響形成方解石晶體的形態(tài)和數(shù)量，在CaCO3結(jié)晶體系中加入無氮培養(yǎng)的菌體會生成體積大、數(shù)量小、表面光滑的CaCO3晶體，加入有氮條件下培養(yǎng)的菌體會形成表面粗糙、數(shù)量大、體積小的CaCO3晶體。Muynck 等[81]的研究表明，在10 ℃、20 ℃、28 ℃和37 ℃四種實驗溫度下，球形芽孢桿菌（B. sphaericus）都能快速生長并顯著增加碳酸鹽的沉積量，而巴氏芽孢桿菌（S. pasteurii）在10 ℃和20 ℃時只能產(chǎn)生少量碳酸鹽，同時，溫度還會影響碳酸鹽晶體的形態(tài)。蔣建建等[82]在對洞穴細菌形成的CaCO3晶體研究中發(fā)現(xiàn)，微生物誘導(dǎo)形成CaCO3晶體的形態(tài)與培養(yǎng)基pH 有關(guān)，同時發(fā)現(xiàn)，在微生物作用下形成的CaCO3晶體存在柱狀體、不規(guī)則六方體、半球狀等在化學(xué)作用下少見的晶體形態(tài)。

另一方面，學(xué)者們也對CA 作用下CaCO3沉積的影響因素進行了研究。本課題組研究了在pH 分別為6.0、6.5、7.0 和8.0 時CA 對CaCO3沉積的促進效果，結(jié)果表明，在試驗pH 范圍內(nèi)，較高的pH 值有利于CA 催化CaCO3沉積[36]；同時，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ca2+濃度增加時，CaCO3沉淀速率隨之增加，但當(dāng)Ca2+濃度過高時，則會抑制CA 催化CaCO3沉淀，且在細菌CA 存在的情況下，Ca2+濃度較低時有利于球霰石的形成，Ca2+濃度較高時有利于方解石的形成[35]；而且還發(fā)現(xiàn)，在5～55 ℃的溫度范圍內(nèi)，30 ℃時細菌CA催化沉積CaCO3的速率最快，而5 ℃時的沉積速率最慢。同時，溫度還會影響細菌CA 催化形成的CaCO3晶體的大小和形貌[38]；進一步研究不同CA 濃度對CaCO3晶體形態(tài)的影響，結(jié)果表明，CA 濃度較低時主要形成球霰石，而CA 濃度較高時以形成方解石為主[37]。袁亮[83]通過實驗發(fā)現(xiàn)，溫度為25 ℃時，CA 的活性最高，有利于CaCO3的沉淀。

總之，從不同生境篩選出的微型生物及其CA 都能促進碳酸鹽巖的沉積，不同的環(huán)境條件會影響微型生物沉積碳酸鹽巖的晶體形態(tài)及數(shù)量等，需要進一步研究參與碳酸鹽巖形成過程的微型生物群落及其影響因素，為深入研究并揭示微型生物在碳酸鹽巖沉積中的互作機制奠定基礎(chǔ)，促進微型生物誘導(dǎo)碳酸鹽巖沉積的應(yīng)用研究。

2.2 微型生物在碳酸鹽巖沉積碳匯中的作用機制

國內(nèi)外學(xué)者對微生物誘導(dǎo) CaCO3沉積的機制進行了研究，認為理論上能夠提高礦物飽和指數(shù)、為碳酸鹽沉淀提供成核位點的微生物都能促進碳酸鹽沉淀的形成[84,85]。目前，盡管對微型生物促進碳酸鹽類礦物沉積的作用機理還沒有達成共識，但學(xué)界認為可能存在以下幾個機制：

（1）微生物或微生物席對沉積物顆粒的捕捉和粘附。榮輝[86]等認為，細菌細胞壁表面帶有大量負電荷，能夠?qū)⑷芤褐械腃a2+等陽離子吸附在細菌細胞表面，為礦化產(chǎn)物的沉積提供了成核位點。同時，Ca2+等陽離子與局部環(huán)境中的CO32-發(fā)生反應(yīng)生成沉淀；Ginsburg 提出疊層石可以在藍細菌等微生物群體的作用下形成，其機理即微生物席對外來沉積物的粘附、捕捉以及碳酸鹽的沉淀[87]。

（3）微生物的代謝分泌物參與CaCO3沉淀。Liu等[79]研究表明，細菌代謝分泌的蛋白質(zhì)可能傾向于抑制方解石的形成，而多糖可能傾向于促進球霰石的形成，這表明細菌代謝分泌物會影響CaCO3晶體的類型。胞外聚合物（EPS）是代謝分泌物中的重要成分之一。EPS 具有大量帶負電的官能團，能夠有效螯合Ca2+、Mg2+等離子，促進碳酸鹽礦物的沉淀[89]；EPS 提供晶核位點促進碳酸鹽礦物的沉淀，且與晶體的成核、取向、大小和晶型有關(guān)；EPS 主要成分如蛋白質(zhì)、多糖等可以促進碳酸鹽礦物的沉淀。Zhuang 等[90]的研究表明，蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）MRR2 的胞外聚合物中含有豐富的谷氨酸，游離的谷氨酸上有大量帶負電荷的羧基，有助于吸附Ca2+形成方解石晶體。

（4）生物酶能夠加速HCO3-和CO32-的形成，從而促進碳酸鹽巖的沉積。本課題組認為，在CaCO3沉積過程中，微生物產(chǎn)生的CA 可以催化CO2水合作用，促進CO32-的形成，增加CO32-和Ca2+結(jié)合的機會，從而增加CaCO3的沉積速率。同時，還認為CA 酶蛋白在溶液中呈電負性，可通過靜電作用吸附Ca2+，導(dǎo)致溶液中局部Ca2+濃度增加；CA 酶蛋白可以作為成核中心，促進CaCO3結(jié)晶，提高CaCO3的沉積速率[37]。盧園園等[91]研究表明，尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)的一個菌株FZU-07 通過產(chǎn)生脲酶，使尿素分解產(chǎn)生碳酸，并與Ca2+結(jié)合生成球霰石晶型的CaCO3；Yang 等[92]研究表明，溶菌酶對文石的形成具有調(diào)控作用。

碳酸鹽巖的沉積是一個十分復(fù)雜的過程，微型生物在該過程中起著重要作用。雖然目前對微型生物沉積碳酸鹽巖的機制有了一定的研究，但是認識還不夠深入，而且大多數(shù)情況下微型生物沉積碳酸鹽是多種機制共同作用的結(jié)果?？傊?，微型生物在巖溶生態(tài)系統(tǒng)中相互作用、相互聯(lián)系，共同促進碳酸鹽巖的沉積，進而增加了巖溶碳匯。

3 結(jié)語與展望

碳酸鹽巖是巖溶碳循環(huán)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，其能對氣候變化和人類活動迅速做出反應(yīng)。因此，探明微型生物及其碳酸酐酶在碳酸鹽巖風(fēng)化和沉積中的作用及其機制，有助于人們對基于微型生物及其碳酸酐酶作用的巖溶碳匯的開發(fā)利用。但目前尚有一些關(guān)鍵科學(xué)問題亟待解決，例如：微型生物對碳酸鹽巖風(fēng)化和沉積的實際貢獻究竟有多少？如何有效調(diào)控微型生物溶蝕和沉積碳酸鹽巖的速率？微型生物在碳酸鹽巖風(fēng)化和沉積中的互作機制是怎樣的？總之，巖溶作用及碳循環(huán)與微型生物有著密切關(guān)系，未來研究需結(jié)合不同巖溶生態(tài)環(huán)境開展量化研究，闡明自然條件下不同微型生物及其代謝產(chǎn)物包括碳酸酐酶對巖溶生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響，為增加巖溶生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力，助力實現(xiàn)碳中和提供理論和實踐指導(dǎo)。