张弛， 董毅

1 美国堪萨斯大学地质系, 堪萨斯 66045 2 美国科罗拉多矿业学院土木及环境工程系, 科罗拉多 80401



生物地球物理:地球物理方法在研究生物地球化学过程中的应用和发展

张弛1， 董毅2

1 美国堪萨斯大学地质系, 堪萨斯 66045 2 美国科罗拉多矿业学院土木及环境工程系, 科罗拉多 80401

微生物广泛参与了其所处地质环境的物理和化学性质改造过程.监控微生物与地质介质之间相互作用的过程并了解其机制对近地面环境工程中土壤及地下水污染整治等实际应用有着至关重要的作用.地球物理勘测成像技术不仅能够在传统应用中测量和表征地表以下的物理特性变化,大量直接有效的证据表明这些方法还可以捕获孔隙介质中的生物地球化学变化的动态过程,包括监测微生物、微生物活动以及它们与矿物之间的相互作用.生物地球物理(Biogeophysics)作为勘探地球物理的一个新兴分支学科,包含了微生物学、生物地球科学以及地球物理勘测等多个学科,侧重于研究微生物与地质介质相互作用对地球物理场的影响.过去十几年在生物地球物理领域的研究充分表明和验证了地球物理勘测方法的独特优点(最小化侵入、时空连续及跨尺度运用),并为将传统勘测方法用于探索跨时间空间各尺度的地下生物地球化学动态过程提供了理论及实验依据.本篇综述将系统介绍生物地球物理学科的理论背景、发展和研究前沿.首先讨论微生物及其活动引起的孔隙介质中物理化学性质的变化.其次,将侧重于探讨微生物活动对包括地电法、电磁法、探地雷达以及地震法等不同地球物理场的响应.最后将讨论生物地球物理领域的机遇、挑战和潜在应用.

生物地球物理； 地球物理勘测方法； 微生物过程； 生物地球化学过程； 微生物矿物相互作用

1 引言

微生物是所有微小生物的总称，它涵括原核生物中的全部真细菌和古细菌，真核生物中的部分真菌及单细胞藻类等.微生物广泛存在于地球上的每个角落，包括各种极酸、碱、冷、热以及普通动、植物无法生存的极端环境中，人们无时无刻不生活在“微生物的海洋”中(Konhauser, 2006).微生物在不同时空尺度上密切参与地球表层各圈层的改造和演变，比如化学元素的循环转化，矿物以及岩石的形成，氧化还原反应改变水、土壤、沉积物中的金属及类金属种类，降解有机化合物等.正如此，微生物在地球和环境的演化进程中扮演着重要的角色，并且地球上留下了它们的地质印记.在地球浅地表层中，微生物活动引起岩石及多孔介质物理特性和化学特性的改变，这些地质条件的改变反过来又影响微生物的活动.进一步了解微生物活动和地质条件的相互作用是地球科学(包括地质微生物学、地球化学、生物地质学等)研究的内容.但是由于这些学科的研究范围多局限于近地表采样和有限的钻孔，难以在更大的时空范围对微生物及其生长环境的探测.

地球物理方法与传统采样检测方式相比，具有非入侵、大尺度、高分辨率、实时监测、快速经济等显著优势.近几年来，在地球物理学界有越来越多的研究开始探索近地表微生物和地质环境之间的相互作用，以及相伴产生的地球物理信号.对于这些研究潜力的认可，相应产生了生物地球物理(Biogeophysics)这一新兴分支学科，它结合了诸多领域例如微生物学、生物地球科学、地球物理学等(Atekwana and Slater, 2009).具体来说，生物地球物理研究近地表微生物活动的动态过程以及其诱发的对地质介质的改造中产生的地球物理信号特征.生物地球物理主要研究以下几个问题：(1)微生物活动产生的直接地球物理信号特征是什么？(2)地球物理方法能够用来探索微生物与地质环境之间的相互作用吗？(3)怎样利用地球物理方法增进对环境中生物地球化学过程的认识？(4)地球物理方法能否运用在实际的野外现场监测过程中？比如工业污染场地修复，以及微生物采油(microbial enhanced oil recovery)等.

全球范围内，研究人员在过去的十年多中开辟了这个全新的交叉领域，也不断在寻找上述几个科学问题的答案，开始将地球物理方法应用于地下微生物改造作用的研究.早期的生物地球物理研究主要源于近地面地球物理或环境地球物理的研究，而这些研究成果也被提交到一些国际会议例如美国地球物理联合会(AGU)年度会议上.2005年开始，AGU专门设立了生物地球物理学专题，2008年10月, 在美国国家科学基金会和能源部的共同资助下在缅因州的波特兰召开了首届国际生物地球物理学会议(AGU-Chapman Biogeophysics), 来自北美、欧洲、亚洲等地区的多位地球物理、地球化学、地质和环境微生物等领域的学家, 分享并讨论了生物地球物理的研究进展和发展方向.这些研究成果不仅有野外尺度的观测，也有实验室内对微生物在孔隙介质中的活动进行表征.而实验室内的物性测量越来越多地和化学及微生物分析手段(例如：离子浓度、物质相位变化、微生物浓度、扫描电子显微镜等)结合在一起，对微生物活动进行全面地分析，从而更加有效地建立微生物活动和地球物理信号之间的关联.

虽然近十年来我们看到许多生物地球物理领域的研究成果，这些微生物-地质介质相互作用过程以及其对地球物理信号的影响目前还未被人们充分理解和掌握.生物地球物理代表了一个具有变革性的研究领域和多学科交叉的科研前沿，旨在挖掘传统地球物理方法用于研究微生物、微生物过程、微生物矿物相互作用等开发潜能.本篇综述将首先介绍应用于生物地球物理研究的几种不同地球物理方法，之后重点介绍微生物生长、微生物生物膜形成、微生物代谢产物、以及微生物矿物化过程引起的多孔地质介质物理化学性质的变化及其对不同地球物理场的响应.文章的最后将简要讨论生物地球物理领域的机遇、挑战和应用前景.我们希望本篇综述将会给行业内的研究人员介绍生物地球物理这个新兴学科，并给读者带来地球物理方法用于微生物活动的表征更全面的认识.

2 生物地球物理中的地球物理方法

目前，应用于研究微生物活动以及其与地质介质相互作用的地球物理方法主要有自然电位法(self-potential)、电阻率法(electrical resistivity)、探地雷达(Ground-Penetrating Radar，GPR)、激发极化法/频谱激电/介电法(induced polarization/spectral induced polarization/complex conductivity)、磁法 (Electromagnetics)以及地震波(seismic)等.2.1 自然电位法

自然电位法是一种被动方法，在不使用电源的条件下，测量介质由于电化学性质变化而产生的自然电场的地球物理方法.自然电位法经常运用于水文地质调查过程中监测介质中的流体流动.通过合理布置电极，测量电化学电位差、氧化还原电位差、流动电位等，检测地下微生物的氧化还原反应活性，并可以指示出微生物活动的发生地点和位置.

2.2 电阻率法

直流电阻率法是电法勘探的一种，测量介质的直流电导率(σDC)，并基于目标介质电导率和周围岩石电导率之间的巨大差异(可达几个数量级)来探测目标的位置、移动以及转化等.电导率可随矿物含量、成分、结构、孔隙溶液浓度、孔隙度等因素变化.微生物活动以及其代谢产物，如细胞吸附、生物膜形成、矿物沉淀溶解等，会使得微生物寄存的多孔介质的电导率参数发生相应的变化.

2.3 激发极化法/频谱激电/介电法

激发极化法是测量介质激发极化效应的一类电法勘探方法.这种方法是在电流作用下以岩、矿石激发效应的差异为基础，通过观测和研究大地激电效应来探查地下地质情况或解决某些水文地质问题的.激发极化方法又分为直流激发极化法(时间域法)和交流激发极化法(频率域法).时域法测量电流脉冲关断后的电势衰减，而频域法则通过逐次改变低频段(一般小于10 kHz)交流供电的频率，观测随频率变化的复电导率(σ*)频谱.复电导率由实部(σ′)和虚部(σ″)构成，其中实部电导率反映了欧姆传导电流消耗的能量，而虚部电导率反映了介质极化储存的能量.地质介质中孔隙的物理性质由于微生物的活动发生改变，复电阻率也会发生改变，激发极化法的测量参数包括极化率或充电率、时间常数和频率相关因数等(Abdel Aal et al., 2009； Davis et al., 2006； Ntarlagiannis and Ferguson, 2009； Ntarlagiannis et al., 2005； Personna et al., 2008； Zhang et al., 2013, 2014).2.4 探地雷达法

探地雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术(1 MHz～1 GHz)，一般探测深度在30 m.探地雷达利用发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和到时的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度等，可用于分析生物活动引起的生物量变化和生物气释放等(Comaset al., 2008； Parsekian et al., 2011； Cassidy, 2007, 2008).

2.5 磁法

微生物的一些代谢活动，如氧化还原过程和矿化过程，常伴随着磁性矿物的生成与转化.因此通过磁学分析，可监测微生物的代谢过程.目前对生物成因磁性矿物的磁学分析主要包括等温剩磁、非磁滞剩磁、磁滞回线、磁化率测量以及各种低温磁学等方法.需要指出的是，岩石磁学方法能灵敏地反映微生物矿化生成磁性矿物，可用于无损、快速鉴定深部地质样品中微生物矿化的遗迹，然而这些方法多适用于实验室研究，目前仅磁化率可用于野外测量，且局限于表层或距离钻孔壁数厘米的信号测量.

2.6 地震

地震法是指包括利用弹性波(压缩波、剪切波和表面波)在地质介质中的传递速率及振动幅值的变化对介质属性及成分进行表征的一种方法.压缩波与介质及孔隙溶液的力学性质相关，剪切波则直接反映了岩体或土颗粒的骨架特征.微生物活动所引发的矿物质可使得介质和孔隙的几何形状发生变化，进而影响了介质刚度属性和弹性波等变化(DeJong et al., 2006).

地球物理成像技术可对微生物引起的近地表地质环境的物理、化学特性变化进行观测和研究，这也正是生物地球物理这门新兴分支学科研究的基础和前提.对于地质环境中微生物效应及其对地球物理场的影响，可用图1简单概括，详细讨论请见文献(Atekwana and Slater, 2009).

图1 微生物和地质介质的相互作用及与其相关的生物地球物理信号Fig.1 Interaction between microbial and geological medium and related geophysical responses

3 微生物活动引起的地球物理信号

微生物的生长活动依赖诸多条件，例如温度、pH值、地质介质的孔隙度和渗透率、营养及代谢所需的电子供体和受体等.微生物对岩石物理特性的改造多种多样，本文主要探讨以下微生物过程是如何影响地质介质产生地球物理信号的.

3.1 微生物生长以及生物膜形成

微生物的性质-微生物细胞的细胞膜化学组成主要为双层磷脂质、蛋白质和糖类.磷脂双层构成细胞膜，可视为双电层.典型的双电层的电势分布如图2所示.

图2 典型的矿物表面双电层示意图Fig.2 Illustration of typical electrical-double layer of the mineral surface

绝大多数活细胞内部聚集很多负电荷，负电荷又可吸引正电荷(主要为钾离子).而细胞膜上具有多种离子通道和不同种类的蛋白质，使多种离子与蛋白质在细胞膜两侧不均匀分布，从而使细胞膜內外产生电位差(膜电位).在外加电场作用下，电解液中的自由离子和细胞内部的带电电荷重新分布，沿外加电场的方向极化.此过程和多孔介质中矿物表面的双电层形成和极化非常相似.以球形微生物细胞为例，在溶液中细胞的双电层介电模型和细胞电场效应的等效模型可用图3描述(Prodan et al., 2008；Revil et al., 2012).

微生物细胞的电容特性使得利用地球物理电法直接进行微生物生长监测成为可能.由于这些表面电荷的迁移速率很慢，在低频率下(低于10 kHz)，此极化现象非常明显，多例研究显示活细胞细菌液的介电常数可超过105(如Sarrafzadeh et al., 2005；Prodan and Prodan, 1999； Zhang et al., 2013, 2014； Stoy et al., 1982; Raicu et al., 1998).最新的生物地球物理研究同时也显示，利用低频频谱激发极化法，可以捕捉到Desulfuriosvulgaris(环境中重要的硫酸盐还原菌)，E.coli，Zymomonasmobilis(运动发酵菌)活细胞细菌液的介电常数，复电导率虚部(σ″)随细胞浓度增加而不断增大(Zhang et al.,2013, 2014; Prodan et al., 2004).而混合有Z.mobilis的沙粒介质也表现出随着混合微生物的浓度增大，极化反应变强的特征(Zhang et al., 2014).不仅如此，通过监测相同浓度D.vulgaris细菌液在不同生长周期中的复电导率(σ*)变化，Zhang等(2013)发现电导率实部(σ′)以及介电常数(ε)都可用来表征微生物的不同生长周期.近年来，关于在低频下微生物、多孔介质混合微生物的极化现象的物理理论模型也已建立(Prodan et al., 2008, Revil et al., 2012, Zhang et al., 2014, Prodan and Prodan, 1999).这些模型的构建可以帮助我们进一步解释实验室和野外测量得到的数据，并为在大尺度上实际应用这些方法观测微生物的生长提供了理论和技术支持.Revil等(2012)、Zhang等(2014)工作以低频中微生物的可电离层(Stern layer)的极化为前提，模拟了微生物生长溶液和微生物在多孔介质中的介电性质(图4).

尽管微生物可以以游离状态自由生长，但很多情况下它们附着在介质表面以获得更高浓度的养分并利用矿物作为能量来源(Costerton et al., 1995； Davis and Lüttge, 2005).微生物生物薄膜(biofilm)的生长和形成在医学、工业、以及生态学上都具有重要意义.生物薄膜是指微生物菌体互相黏附一起或附着到一些材料表面，并由胞外多聚物基质对其包埋的生长状态.生物薄膜是微生物形成的与生存环境(包括定殖宿主)相适应的结构(Hall-Stoodley et al., 2004).直观上，生物薄膜的形成会改变土壤的地球物理属性，比如占据介质孔隙空间，造成寄主岩石孔隙被填塞、孔隙形态和孔径大小的改变，从而导致孔隙率、渗透率、导水性等变化.这些变化可导致沉积物基质的硬度、强度和弹性发生变化，从而有可能被地震波技术监测到.由于生物薄膜结构的复杂性和生长的非均匀性(O′Toole et al., 2000)，矿物颗粒和溶液电导率产生自然极化现象(Davis et al., 2006； Ntarlagiannis and Ferguson, 2009).Davis等(2006)的实验(图5)表明在2 Hz下观测到的极化(电导率虚部)峰值的出现与在环境扫描电子显微镜

图3 球形细胞在细胞溶液当中的有效介电模型(根据Prodan et al., 2008; Revil et al., 2012修改)Fig.3 Schematic representation of dielectric model of live cell bacterial suspension(revised from Prodan et al., 2008; Revil et al., 2012)

图4 不同浓度的D. vulgaris细菌溶液的(a)复电导率实部的对数值和(b)有效电容率的对数值在20 mHz到1 MHz上的响应. 线段表示模型模拟结果，而点则是实际测量数据(Revil et al., 2012).Fig.4 (a) Real conductivity (σ′), and (b) effective permittivity response over 20 mHz～1 MHz of D. vulgaris bacterial suspension at different concentrations. Solid lines indicate the model simulation and the dots are measured data points (Revil et al., 2012).

(ESEM)下观测到的生物薄膜在沙柱中二氧化硅表面的形成以及沙粒靠生物膜链接状态相吻合.

Abdel Aal(2010)的实验进一步证明只有活细胞才会对观测到的相位差或电导率虚部产生影响.Davis (2009)的实验使用声波成像技术监测到由Pseudomonasaeruginosa在沙柱中的生长所导致的多孔介质声学特征的非均质性.而近年来多个研究也表明，核磁共振(NMR)可有效观测生物膜在地质介质中的生长现象.与没有生物薄膜生长的参照柱对比，实验组中所产生的核磁共振信号衰弱，而横向弛豫时间T2也缩短(Codd et al., 2011； Hoskins et al., 1999； Sanderlin et al., 2013； Seymour et al., 2004； Zhang and Keating, 2015).图6为两个使用低磁场NMR(low-field/earth field NMR)的例子.

图5 复电导率虚部σ″(a)和矿物颗粒表面细胞浓度(b)的变化.红色为实验组，其余线段为对照组.环境电子扫描镜(ESEM)得到的实验组沙柱(c)和对照组(d)的图可明显看出实验组中的微生物的生长和在矿物表面的富集(Davis et al., 2006)Fig.5 (a) Polarization signal imaginary conductivity associated with (b) density of cells attached to mineral surface. Filled red circles are biostimulated column, and other symbols are control columns. ESEM images from (c) biostimulated column showing cell attachment/ biofilms and (d) control column clearly show the growth and accumulation of microbial on the mineral surfaces (Davis et al., 2006)

图6 (a) NMR横向弛豫时间T2在微生物生长柱(红色)和无微生物生长的沙柱(绿色)中的变化(Sanderlin et al., 2012); (b) NMR横向弛豫时间T2在三个不同微生物(Shewanella oneidensis)稀释浓度——未稀释1X (蓝色), 一倍稀释0.5X (绿色)、16倍稀释 0.0625X (红色)的沙柱中的变化(Zhang and Keating, 2015)Fig.6 (a) T2 relaxation time distribution from the low-field NMR for biofouled column and non-boifouled column (Sanderlin et al., 2012). (b) T2 relaxation time distribution from the low-field NMR for Shewanella oneidensis cell suspensions at different dilutions (concentrations): 1X (in blue), 0.5X (in green), and 0.0625X (in red) mixed with silica sands samples (Zhang and Keating, 2015)

这些研究表明地球物理技术对多孔介质微生物生长和生物薄膜的形成具有很高的敏感度，代表了生物地球物理学科迈出的显著一步，同时也突出了地球物理方法用于野外观测的显著优势，为未来应用地球物理方法评估微生物采油，远程监控生物膜反应器用于污水处理，以及观察二氧化碳封存中微生物的活动等提供了广阔的应用前景.

3.2 微生物新陈代谢产物

微生物的新陈代谢被认为是促使寄主岩石和矿物风化的重要因素，比如微生物代谢活动所产生的生物气、有机酸及活性剂可以促进矿物的溶解沉淀和元素循环，加快岩石风化速率等.因此土壤和沉积物的形成受到了微生物的深刻影响(Davis and Lüttge, 2005).矿物颗粒表面形貌、表面积、表面粗糙度、次生孔隙等也会因微生物的催化而加快变化.这些改造过程会产生相应的地球物理异常信号.比如矿物的溶解或沉淀会改变孔隙溶液中的离子浓度，从而导致电导率的变化.孔隙率的改变可能会影响声波在介质中的传播.此外，生物气体的生成可以降低地质介质的电导率及增强地震波的信号吸收.

化学和生物变化引起的有机污染物成分的变化统称风化(Atlas, 1981).地球物理性质的变化在有机污染的环境当中显得尤其明显.许多野外地球物理工作研究发现，微生物催化的有机污染物矿物风化过程中产生的有机酸和二氧化碳可以使孔隙溶液的电导率升高.这些孔隙电导率的变化可以直接导致介质电导率的变化，且由此引起的异常能够被电阻率法、频谱激发极化法、探地雷达、电磁法以及自然电位法等探测到(Atekwana and Atekwana, 2010; Atekwana et al.,2000, 2004, 2006).Sauck等(1998)在美国密歇根古特斯密斯空军基地，通过电阻率法和探地雷达观测到有机物污染区域显示出升高的电导率和减弱的探地雷达反射.对此处地下水样品的研究也验证了生物污染和矿物风化的发生.而之后Bradford等(2007)的研究也发现在同一地点雷达信号的减弱与污染物的扩散直接相关.相似的观测结果也在Cassidy(2007, 2008)的实验中有所表现，并且作者还发现小于300 MHz的雷达信号衰减最明显.Flores Orozco等(2012)在研究中使用频谱激发极化法，在德国蔡茨(Zeitz)的一个氢化加工工厂污染区对BTEX(苯benzene、甲苯toluene、乙苯ethylbenzene、二甲苯xylene)的地下分布状况进行场地调查.对这个场地的前期调查表明，有氧和厌氧(硫酸盐还原和甲烷氧化)的BTEX自然衰减持续进行.作者发现高相位差区域对应于低BTEX含量，频谱有峰值，而低相位差区域对应于高BTEX含量，频谱无峰值.使用Debye分解的方法对完整频域的数据进行分析，发现伴随着BTEX含量的增高，弛豫时间(τ)也增高，如图7所示.

图7 由时域激发极化法(TDIP)计算出的沟渠挖掘前(a)和挖掘后(b)的相位差(φ).黑色横线指示地下水位，黑色点表示电极排放位置.从地下8到10 m的地下水采样样品中计算出的BTEX浓度分布如图(c)所示(Flores Orozco et al., 2012).Fig.7 The calculated phase changes from TDIP data collected before (a) and after (b) excavation of trench. Solid black line represents ground water table, black dots represent electrodepositions. A plot of the BTEX concentrations measured in groundwater samples is shown in (c) (Flores Orozco et al., 2012).

这与Cassiani (2009)的实验中观测到的弛豫时间随非溶解相液态污染物NAPL(辛醇octanol)在样品中溶解度增高而延长的结果吻合.而Johnson等(2010)利用三维井间高密度电法(cross borehole ERT)，对美国马里兰Brandywinede的一个微生物修复氯化溶剂(chlorinated solvent)场地的空间电导率的变化进行了长达三年的自动长期监测，得到了场地电导率的四维变化(图8).

图8 四维ERT在美国马里兰Brandywine监测污染物的微生物修复.图中电导率(bulk conductivity)在第2天到第371天的变化与注入的富含钠离子的乳酸的渗入、扩散和稀释过程一致.而第371到762天的变化则间接反映了系统中由于微生物作用离子浓度增加、FeS沉淀的过程(Johnson et al., 2010; Singha et al., 2014)Fig.8 4-dimension ERT monitoring duringenhanced bioremediation at a monitoring site in Brandywine, Maryland (USA). The changes of bulk conductivity are consistent with the fluid conductivity changes during sodium lactate amendment injection, sinking, and spreading processesfrom day 2 to day 371. The significant secondary increase in conductivity was observed from day 371 to day 762 resulting from FeS precipitation and increased microbial activity (Johnson et al., 2010;Singha et al., 2014)

另外一类微生物的代谢产物包括生物生成气，其中有二氧化碳、甲烷、硫化氢以及氢气.这些气体同样能够改变地质环境中的地球物理特性.例如，在厌氧泥炭地土壤中，在古细菌作用下可产大量甲烷自由气体，而这些过程可以用探地雷达在实验室或野外进行检测(Parsekian et al., 2011; Comas et al., 2008).Parsekian等(2011)在美国明尼苏达的野外调查结果表明，探地雷达可用来估算泥炭地中气体含量的分布.这些研究表明生物地球物理方法可以用来监测温室气体的排放，如图9所示.

3.3 微生物诱导矿物沉淀和溶解

在以厌氧为主的各类地下环境中，微生物对元素的迁移和矿物转化等起着重要作用.比如海洋底物、地下水、土壤和污泥中异化硫还原菌和铁还原菌分别对硫、铁乃至碳的代谢循环有着关键的影响.硫酸根经硫还原菌还原为具有很强还原能力的硫化氢，而大量实验显示，生物成因的硫化氢能够通过吸附或者沉淀作用将废水和被污染土壤中重金属变成不可游离的状态，从而达到有效回收和治理清除的目的.这些生物诱导的矿物沉淀过程从根本上改变了矿物表面的物理化学特性，其中有三类我们已熟知的反应直接影响到环境工程治理中利用微生物修复和降解污染物.这三类反应分别是：1)尿素分解细菌诱导碳酸钙沉淀；2)硫酸盐还原菌(SRB)作用下金属硫化物的形成；3)铁还原微生物异化还原铁形成次生铁矿物.在此，我们用几个研究示例来探讨利用地球物理方法测量上述微生物引导的矿物沉淀过程.

图9 根据GPR数据计算出的Sturgeon River Bog二维气体分布模型.深度轴根据在该地雷达平均移动速度计算(0.038 m·ns-1)，下部的灰色表示由普通抵消(common offset)雷达图计算出的土壤地形(Parsekian et al., 2011)Fig.9 The 2-D model of gas distribution in the subsurface below the GPR transect at Sturgeon River Bog. The mineral soil topography was determined from the common offset radargram and is represented by the gray area at the bottom. The depth axis was calculated from the travel time using the average velocity of radar at the site 0.038 m·ns-1 (Parsekian et al., 2011)

图10 在酶化反应下碳酸钙和金属(以锶Sr为例)的共同沉淀过程Fig.10 CaCO3precipitation and the co-precipitation of metal (e.g., Sr) mediated byurease hydrolysis

图11 (a) 复电导率实部(σ′)和溶液电导率(σf)；(b) 复电导率虚部(σ″)以及pH在整个酶化碳酸钙沉淀实验过程中不同区域随时间的变化.从实验开始到544 min是实验的第一阶段尿素注射，之后紧接着进入尿素、Ca2+、 Sr2+的混合注射阶段.复电导率的数据取自100 Hz (Zhang et al., 2012)Fig.11 (a) The evolution of the real part of the complex electrical conductivity (σ′) and the evolution of the electrical conductivity of the solution (σf) with time in the preurease, urease, and posturease zones during ureolytically driven mineral precipitation experiment; (b) The evolution of the imaginary part of the complex electrical conductivity (σ″) and the evolution of pH during the same process. The urea injection stage occurred from 0 to 544 min (Stage 1), followed by the coinjection of urea, Ca2+, and Sr2+ (Stage 2) began until the end of the experiment, and the two stages are separated by the vertical line. The complex conductivity σ* data are from 100 Hz (Zhang et al., 2012)

铁还原细菌产生的二价铁可促进次生矿物如陨铁、磁铁矿和针铁矿(Fredrickson et al., 1998； Benner et al., 2002).而硫酸盐还原菌所产生的硫化物可与二价铁反应生成硫化铁矿物.利用这个矿物沉淀过程可去除环境中的许多污染物，如矿山废水、重金属和核废料污染等，因而在环境污染的微生物治理中具有广阔的应用前景.为了有效实施对污染区域的修复，我们需要有效的检测手段用来评估微生物污染修复的过程.而地球物理手段对这些过程的敏感性可使我们将这些方法应用到实验室和野外的观测中.大量实验室的沙柱实验表明(Personna et al., 2008； Williams et al., 2005)，在微生物诱导的硫化金属物(硫化锌和硫化铁)的沉淀过程中，电信号和地震波信号都有明显变化.而低频频谱激发极化法的复电导率变化能够很好地追踪在SRB(D.vulgaris)作用下硫化铁(FeS)的沉淀和溶解.而极化信号的强度则直接与介质-金属矿物混合物中的比表面积(Spor)相关，如图12所示.

图12 相位差随时间的变化(根据Personna et al., 2008修改)(a)厌氧过程中FeS的生物沉淀过程使相位差增大；(b)转化到有氧条件下的相位差变化；(c)由厌氧到有氧，可逆转的弛豫时间(τ)的变化；(d)电子扫描镜下的D.vulgaris生物矿物和被生物膜生长所覆盖的沙子颗粒表面.Fig.12 Phase shifts as a function of time (revised fromPersonna et al., 2008)(a) FeS biomineralization induced by an anaerobic transition difference with time; (b) Mineral dissolution (aerobics transition); (c) The biomineralization response is largely reversible during anaerobic to aerobic transition as shown from the behavior of modeled Cole-Cole parameters (normalized chargeability mn, and time constant τ); (d) SEM images for samples extracted from the experiment showing rod shape D. vulgaris biominerals and the sand particle encrusted with biomineralization accumulation.

美国能源部在清理科罗拉多州Rifle一处停产的铀矿渣厂时，在地下水中注入醋酸以刺激铁还原微生物(Geobacter)生长，从而修复铀污染(William et al., 2009).醋酸注射前后极化相位的反演结果表明微生物改造区域存在明显的相位异常.这些变化与细菌还原铁和硫酸盐, 以及硫化物沉淀作用有关，如图13所示.

图13 由时域激发极化法反演出的相位差(φ)在Rifle铀矿渣生物修复处理场注入醋酸后0、30和57天的变化.微生物刺激区出现明显增大的相位差Fig.13 Inverted phase angle (φ) results from induced polarization data after 0, 30, and 57 days of acetate amendment injection experiment at U.S. Department of Energy′s Rifle Integrated Field Research Challenge site designed to promote uranium removal through stimulation of iron-reducing bacteria. A significant increase of the phase difference occurred in the zone with bio-stimulation

4 结论和展望

生物地球物理方法具有地球微生物学研究方法所不具备的优势.和传统采样研究相比，把地球物理方法运用到观察微生物和地质介质相互作用中，研究人员可以在对系统最小干扰的形式下得到覆盖面

积广的高时空分辨率的数据，从而能在更大尺度上研究微生物的活动以及矿物的变化.生物地球物理方法把微生物对地质改造过程的研究范围拓展至地下三维空间，从而对比如工业污染场地修复和微生物采油等实际现场工程实行有效监测.但我们需要注意到，类似于其他地球物理技术，生物地球物理方法的观测结果有不确定性，建模过程复杂，解不唯一.而微生物和地质环境的相互作用异常复杂，我们在解释观测到的地球物理信号/异常时需要谨慎并考虑全面.在这个刚起步的研究领域，实验室的模拟研究、物理模型的建立等非常重要.我国的相关生物地球物理研究刚刚展开，我们需要围绕重要的科学问题，联合生物地球化学、环境科学等学科，利用现代地球物理监测方法的优势(多种技术综合运用、自动化、多通道、高密度等)，大力提高这个新兴研究领域的能力和水平，进一步提升对浅地表环境中的各种复杂地质过程的认识，为人类和环境的健康可持续发展做出贡献.

Abdel Aal G Z, Slater L D, Atekwana E A. 2006. Induced-polarization measurements on unconsolidated sediments from a site of active hydrocarbon biodegradation.Geophysics, 71(2): H13-H24.

Abdel Aal G, Atekwana E, Radzikowski S, et al. 2009. Effect of bacterial adsorption on low frequency electrical properties of clean quartz sands and iron-oxide coated sands.Geophys.Res.Lett., 36(4).

Abdel Aal G, Atekwana E, Rossbach S, Werkema D. 2010. Sensitivity of geoelectrical measurements to the presence of bacteria in porous media.JournalofGeophysicalResearch, 115(G3), G03017.

Atekwana E A, Atekwana E A. 2010. Geophysical signatures of microbial activity at hydrocarbon contaminated sites: a review.SurveysinGeophysics, 31(2):247-283.

Atekwana E A, Slater L D. 2009. Biogeophysics: A new frontier in Earth science research.Rev.Geophys., 47(4): RG4004.

Atekwana E A, Atekwana E A, Werkema D D, et al. 2004. Evidence for microbial enhanced electrical conductivity in hydrocarbon-contaminated sediments.Geophys.Res.Lett.,31(23). Atekwana E A, Sauck W A, Werkema D D. 2000. Investigations of geoelectrical signatures at a hydrocarbon contaminated site.JournalofAppliedGeophysics, 44(2-3): 167-180.

Atlas R M. 1981. Microbial degradation of petroleum hydrocarbons: an environmental perspective.MicrobiologicalReviews, 45(1): 180-209.

Benner S G, Hansel C M, Wielinga B W, et al. 2002. Reductive dissolution and biomineralization of iron hydroxide under dynamic flow conditions.EnvironmentalScience&Technology, 36(8):1705-1711. Bradford J H. 2007. Frequency-dependent attenuation analysis of ground-penetrating radar data.Geophysics, 72(3):J7-J16.

Cassiani G, Kemna A, Villa A,Zimmermann E. 2009. Spectral induced polarization for the characterization of free-phase hydrocarbon contamination of sediments with low clay content.NearSurfaceGeophysics, doi: 10.3997/1873-0604.2009028,Cosenza.

Cassidy N J. 2007. Evaluating LNAPL contamination using GPR signal attenuation analysis and dielectric property measurements: Practical implications for hydrological studies.JournalofContaminantHydrology, 94(1-2):49-75. Cassidy N J. 2008. GPR attenuation and scattering in a mature hydrocarbon spill: a modeling study.VadoseZoneJ., 7(1): 140-159.

Codd S L, Vogt S J, Hornemann J A, et al. 2011. NMR relaxation measurements of biofouling in model and geological porous media.OrganicGeochemistry, 42(8):965-971. Comas X, Slater L, Reeve A. 2008. Seasonal geophysical monitoring of biogenic gases in a northern peatland: Implications for temporal

and spatial variability in free phase gas production rates.JournalofGeophysicalResearch:Biogeosciences, 113:G01012.Costerton J W, Lewandowski Z, Caldwell D E, et al. 1995. Microbial biofilms.AnnualReviewofMicrobiology, 49(1):711-745.

Davis C A, Atekwana E, Atekwana E, et al. 2006. Microbial growth and biofilm formation in geologic media is detected with complex conductivity measurements.Geophys.Res.Lett., 33(18):L18403.

Davis K J, Lüttge A. 2005. Quantifying the relationship between microbial attachment and mineral surface dynamics using vertical scanning interferometry (VSI).AmericanJournalofScience, 305(6-8):727-751.

Davis C A,Pyrak-Nolte L J,Atekwana E A,et al. 2009. Microbial-induced heterogeneity in the acoustic properties of porous media.Geophys.Res.Lett., 36, L21405.

DeJong J, Fritzges M, Nüsslein K. 2006. Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear.JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering, 132(11):1381-1392.

Flores Orozco A, Kemna A, Oberdörster C, et al. 2012. Delineation of subsurface hydrocarbon contamination at a former hydrogenation plant using spectral induced polarization imaging.JournalofContaminantHydrology, 136-137:131-144.

Fredrickson J K, Zachara J M, Kennedy D W, et al. 1998. Biogenic iron mineralization accompanying the dissimilatory reduction of hydrous ferric oxide by a groundwater bacterium.GeochimicaetCosmochimicaActa, 62(19-20):3239-3257.

Hall-Stoodley L, Costerton J W, Stoodley P. 2004. Bacterial biofilms: from the Natural environment to infectious diseases.Nat.Rev.Micro., 2(2):95-108.

Hoskins B C, Fevang L, Majors P D, et al. 1999. Selective imaging of biofilms in porous media by NMR relaxation.JournalofMagneticResonance, 139(1): 67-73.

Johnson T C, Versteeg R J, Ward A, et al. 2010. Improved hydrogeophysical characterization and monitoring through parallel modeling and inversion of time-domain resistivity and induced-polarization data.Geophysics, 75(4), WA27, doi:10.1190/1.3475513.

Konhauser K O. 2006. Introduction to Geomicrobiology. New York: Wiley-Blackwell.

Mitchell A C, Dideriksen K, Spangler L H, et al. 2010. Microbially enhanced carbon capture and storage by mineral-trapping and solubility-trapping.EnvironmentalScience&Technology, 44(13):5270-5276.

Ntarlagiannis D, Ferguson A. 2009. SIP response of artificial biofilms.Geophysics, 74(1):A1-A5.

Ntarlagiannis D, Williams K H, Slater L, et al. 2005. Low-frequency electrical response to microbial induced sulfide precipitation.J.Geophys.Res., 110(G2).

O′Toole G, Kaplan H B, Kolter R. 2000. Biofilm formation as microbial development.AnnualReviewofMicrobiology, 54(1): 49-79.

Parsekian A D, Comas X, Slater L, et al. 2011. Geophysical evidence for the lateral distribution of free phase gas at the peat

basin scale in a large northern peatland.JournalofGeophysicalResearch:Biogeosciences, 116(G3): G03008. Personna Y R, Ntarlagiannis D, Slater L, et al. 2008. Spectral induced polarization and electrodic potential monitoring of microbially mediated iron sulfide transformations.J.Geophys.Res., 113: G02020.

Prodan C, Prodan E. 1999. The dielectric behaviour of living cell suspensions.J.Phys.D:Appl.Phys., 32(3): 335-343.

Prodan C, Mayo F, Claycomb J R, et al. 2004. Low-frequency, low-field dielectric spectroscopy of living cell suspensions.J.Appl.Phys., 95(7):3754-3756.

Prodan E, Prodan C, Miller J H Jr. 2008. The dielectric response of spherical live cells in suspension: an analytic solution.BiophysicalJournal, 95(9): 4174-4182.

Raicu V, Saibara T, Irimajiri A. 1998. Dielectric properties of rat liver in vivo: a noninvasive approach using an open-ended coaxial probe at audio/radio frequencies.BioelectrochemistryandBioenergetics, 47(2): 325-332.

Revil A, Atekwana E, Zhang C, et al. 2012. A new model for the spectral induced polarization signature of bacterial growth in porous media.WaterResourcesResearch, 48:W09545.

Sanderlin A B, Vogt S J, Grunewald E, et al. 2013. Biofilm detection in natural unconsolidated porous media using a low-field magnetic resonance system.EnvironmentalScience&Technology, 47(2):987-992.

Sarrafzadeh M H, Belloy L, Esteban G, et al. 2005. Dielectric monitoring of growth and sporulation of Bacillus thuringiensis.BiotechnologyLetters, 27(7):511-517.

Sauck W, Atekwana E, Nash M S. 1998. High conductivities associated with an LNAPL plume imaged by integrated geophysical techniques.J.Environ.Eng.Geophys., 2: 203-212.

Seymour J D, Codd S L, Gjersing E L, et al. 2004. Magnetic resonance microscopy of biofilm structure and impact on transport in a capillary bioreactor.JournalofMagneticResonance, 167(2):322-327. Singha K, Day-Lewis F D, Johnson T, Slater L D. 2014. Advances in interpretation of subsurface processes with time-lapse electrical imaging.HydrologicalProcesses, doi:10.1002/hyp.10280.

Stoy R D, Foster K R, Schwan H P. 1982. Dielectric properties of mammalian tissues from 0.1 to 100 MHz: a summary of recent data.Phys.Med.Biol., 27(4): 501-513.

William K H, Kemna A, Wilkins M J, et al. 2009. Geophysical monitoring of coupled microbial and geochemical processes during stimulated subsurface bioremediation.Environ.Sci.Technol., 43(17): 6717-6723.

Williams K H, Ntarlagiannis D, Slater L D, et al. 2005. Geophysical Imaging of Stimulated Microbial Biomineralization.EnvironmentalScience&Technology, 39(19):7592-7600.

Zhang C, Revil A, Fujita Y, et al. 2014. Quadrature conductivity: A quantitative indicator of bacterial abundance in porous media.Geophysics, 79(6):D363-D375.

Zhang C, Slater L, Prodan C. 2013. Complex dielectric properties of sulfate-reducing bacteria suspensions.GeomicrobiologyJournal, 30(6): 490-496.

(本文编辑 何燕)

Biogeophysics: Geophysical characterization of biogeochemical processes in the subsurface

ZHANG Chi1， DONG Yi2

1DepartmentofGeology,UniversityofKansas,Lawerence,Kansas66045,USA2DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,ColoradoSchoolofMines,Golden,Colorado80401,USA

Microorganisms are involved in a variety of geologic processes that change the physical and chemical properties of their environment. Understanding the microbial interactions with geologic media is very important to successful implementation of near-surface applications such as remediation of soils and groundwater contaminations. Geophysical imaging techniques have the potential to measure and characterize not just the physiochemical properties in the subsurface as already well established, but also microbes, microbial processes, and microbe-mineral interactions.Biogeophysics is an emerging sub-discipline of exploration geophysics focusing on the geophysical signatures resulting from microbial interactions with geologic media that integrates microbiology, biogeoscience, and geophysics (Atekwana and Slater 2009). Biogeophysics research performed over the past decade has shown the unique characteristics of geophysical methods (e.g., minimal invasion, spatiotemporal continuity, and broad scales) and has confirmed the potential of geophysical methods to investigate microbial activities in subsurface environments over diverse spatial and temporal scales.This review provides the background and development of biogeophysics and the current key topics in this field. We first outline a range of geophysical methods that have been used effectively in biogeophysics research, such as self-potential, electrical resistivity, induced polarization, ground penetration radar, electromagnetics, and seismic. Then we review the alternations of petrophysical properties induced by microorganisms and the associated geophysical responses. Finally, we conclude by discussing opportunities, challenges, and potential new applications of biogeophysics.

Biogeophysics; Geophysical methods characterization; Microbial process; Biogeochemical process; Microbe-mineral interaction

张弛，E-mail:chizhang@ku.edu

10.6038/cjg20150809.

10.6038/cjg20150809

P631

2015-08-06，2015-08-18收修定稿

张弛，董毅. 2015. 生物地球物理:地球物理方法在研究生物地球化学过程中的应用和发展.地球物理学报，58(8):2718-2729,

Zhang C, Dong Y. 2015. Biogeophysics: Geophysical characterization of biogeochemical processes in the subsurface.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2718-2729,doi:10.6038/cjg20150809.