微生物を媒介とした鉱石形成プロセスと細胞の鉱物化

Microbially Mediated Ore-Forming Processes and Cell Mineralization.

• Márta Polgári
• Ildikó Gyollai
• Krisztián Fintor
• Henrietta Horváth
• Elemér Pál-Molnár
• João Carlos Biondi

抄録

堆積黒頁岩に抱かれた炭酸マンガン鉱石と酸化物鉱石を高分解能詳細光学顕微鏡とカソードルミネッセンス顕微鏡、ラマン分光法、FTIR分光法を用いて研究し、金属組織形成における微生物の寄与を明らかにした。本研究は、ブラジルのウルカムMn鉱床を対象としたもので、微生物を介在させた鉱石形成プロセスの事例研究として含まれている。その結果を比較・解釈し、複雑な構造階層法によってデータを精緻化した。微生物の酵素酸化による最初の合成生成物は、Fe側ではフェリハイドライトとレピドクロサイト、Mn側ではベルナダイト、トドロカイト、バーネサイト、マンガンナイトであり、義務的な酸化性（Mn）と亜酸化性（Fe）の条件と中性pHに近い条件で形成された。FeおよびMn酸化細菌は、微細構造の特徴、生物指標鉱物、および埋め込まれた可変有機物に基づいて、金属生成に基本的な役割を果たした。微量元素の含有量は、元素の供給源と微生物の活動によって決定される。現在のウルカム鉱床（ブラジル）、ダタンポ鉱床（中国）、ウルクト鉱床（ハンガリー）は、鉄とマンガンのバクテリアとシアノバクテリアの細胞と細胞外高分子物質（EPS）の分解と鉱物化を含む複雑な堆積過程の結果であり、これらのプロセスは、複素栄養の細胞コロニーと細胞外高分子物質（EPS）の分解と鉱物化を含む。亜酸素性中性・アルカリ性条件下での埋没後の微生物岩堆積物中では、従属栄養細胞のコロニーがランダムに活性化し、鉱物の石化と安定化に伴い、Mn炭酸塩と可変陽イオン含有酸化物が横並びに形成された。堆積物の地質学的年代や地理的な発生状況は様々であるが、強い類似性を示しており、微生物による二段階の金属生成を示唆している：第一次化学的な従属栄養微生物サイクルと、細胞やEPSの鉱物化の影響を強く受けた、遺伝的な従属栄養微生物サイクルである。これらのプロセスは、地球レベルでの堆積環境における主要元素と微量元素の分布を制御する上で基本的な役割を果たし、天然水の元素含有量、鉱物の沈殿、水質汚染物質に生物地球化学的な制約を与えている。

Sedimentary black shale-hosted manganese carbonate and oxide ores were studied by high-resolution detailed optical and cathodoluminescence microscopy, Raman spectroscopy, and FTIR spectroscopy to determine microbial contribution in metallogenesis. This study of the Urucum Mn deposit in Brazil is included as a case study for microbially mediated ore-forming processes. The results were compared and interpreted in a comparative way, and the data were elaborated by a complex, structural hierarchical method. The first syngenetic products of microbial enzymatic oxidation were ferrihydrite and lepidocrocite on the Fe side, and vernadite, todorokite, birnessite, and manganite on the Mn side, formed under obligatory oxic (Mn) and suboxic (Fe) conditions and close to neutral pH. Fe- and Mn-oxidizing bacteria played a basic role in metallogenesis based on microtextural features, bioindicator minerals, and embedded variable organic matter. Trace element content is determined by source of elements and microbial activity. The present Urucum (Brazil), Datangpo (China), and Úrkút (Hungary) deposits are the result of complex diagenetic processes, which include the decomposition and mineralization of cell and extracellular polymeric substance (EPS) of Fe and Mn bacteria and cyanobacteria. Heterotrophic cell colonies activated randomly in the microbialite sediment after burial in suboxic neutral/alkaline conditions, forming Mn carbonates and variable cation-bearing oxides side by side with lithification and stabilization of minerals. Deposits of variable geological ages and geographical occurrences show strong similarities and indicate two-step microbial metallogenesis: a primary chemolithoautotrophic, and a diagenetic heterotrophic microbial cycle, influenced strongly by mineralization of cells and EPSs. These processes perform a basic role in controlling major and trace element distribution in sedimentary environments on a global level and place biogeochemical constraints on the element content of natural waters, precipitation of minerals, and water contaminants.

Copyright © 2019 Polgári, Gyollai, Fintor, Horváth, Pál-Molnár and Biondi.