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硅藻驅動的硅-鋁地球化學共循環及其所涉礦物界面作用研究獲進展

2019-10-29 廣州地球化學研究所
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  近日,《自然-通訊》(Nature Communications)期刊在線發表了中國科學院廣州地球化學研究所礦物表界面作用學科組袁鵬研究組關于硅藻生物硅(硅藻的無機殼體)影響硅-鋁地球化學循環機制的研究成果。該研究發現,鋁通過類質同象置換硅的形式進入湖泊硅藻的氧化硅骨架中,其鋁含量遠高于海水中的硅藻生物硅。基于全球海洋和湖泊生物硅的沉積率數據,該研究提出,賦存于湖泊沉積生物硅骨架中的鋁構成了地球的一個重要鋁匯,其年沉積量的規模堪比海洋生物硅所構成的鋁匯。該研究還指出,湖泊硅藻生物硅的溶解率因其高鋁含量而顯著降低,有利于提高湖泊硅藻驅動的“生物泵”固碳效率;該效應對揭示湖泊體系的固碳作用機制及其影響具有重要意義。

  鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素,其地球化學循環與多種成巖成礦作用密切相關,是地球物質循環的重要環節。硅藻廣泛分布于地球水體環境,是地球上最“成功”的浮游光合生物之一。其光合作用的生物固碳量逾地球生態系統的五分之一,超過全球熱帶雨林固碳量的總和。硅藻還是少數能夠攝取硅元素建造自身細胞壁(礦物成分為A型蛋白石)的代表性水生生物,故其生命活動和其硅質遺骸的歸趨構成了全球硅-碳共循環的主要環節。海水中的溶解鋁對硅藻生長的影響及其與海洋硅藻生物硅之間的界面反應已吸引了廣泛研究關注。而實際上,海洋水體中溶解鋁的濃度遠低于淡水湖泊中的鋁濃度;但關于湖泊生物硅在相對高鋁濃度條件下的結構-成分“響應”及其所致地球化學效應,一直未得到應有的研究關注。

  為此,袁鵬研究組從礦物-微生物界面作用的角度入手,以我國太湖、烏梁素海等淡水湖泊中的硅藻為研究對象,重點研究了具代表性的梅尼小環藻和谷皮菱形藻(全球淡水湖泊中分布最廣泛的兩種硅藻);開展了不同鋁濃度下的硅藻培養實驗,對采集和培養所獲硅藻及其生物硅進行了系統的微區結構-成分分析,將高分辨微區分析(飛行時間二次離子質譜等;圖1)與基于豐富硅藻及生物硅樣品的成分分析(圖2)相結合,獲得了湖泊硅藻及其生物硅中鋁賦存特征的全面認識。研究發現,鋁通過類質同像置換硅的形式賦存于硅藻生物硅中;湖泊生物硅中的鋁含量達到海洋生物硅中鋁含量的六倍以上;地球上每年因湖泊硅藻生物硅沉積所形成的鋁匯達109kg量級,其規模與海洋生物硅沉積所致鋁匯相近。該發現證明湖泊環境中硅藻的生長、溶解和沉積構成了一個重要的硅-鋁共循環體系,其結果是全球湖泊沉積物形成了巨大的生物鋁匯。該鋁匯占陸源生物鋁總量的相當比例,影響著全球海洋鋁的陸源輸入量,對鋁循環所涉地球化學過程(如反風化作用)具有多方面的潛在影響(詳見論文)。這啟示我們,在構建全球鋁、硅等元素循環模型時,必須考慮湖泊硅藻生物硅所致鋁匯的作用。

  鑒于硅藻在水圈、生物圈乃至巖石圈中對地球物質循環的影響廣泛,該工作所獲發現對硅藻“生物泵”固碳作用、硅藻沉積成礦機制等相關科學問題的研究亦具有參考價值,有望“激發更多的研究工作和討論”(錄自論文的終審意見)。例如,在硅藻“生物泵”作用中,“幸存(即未在沉降過程中溶解)”的硅藻生物硅抵達沉積層是硅藻生物泵實現有效固碳的關鍵環節。湖泊硅藻生物硅因高鋁含量致其溶解性下降,應是湖泊生物硅沉積比海洋生物硅沉積更高效的一個重要原因。這提示人們需重新思考湖泊體系在地球生物固碳過程中的作用和影響。

  再者,硅藻生物硅沉積對其形成礦產資源具有重要意義。硅藻大量沉積、成巖所形成的硅藻土礦(硅藻蛋白石與共生礦物的聚集體)的全球儲量以十億噸計;硅藻土因其諸多優異性質已成為工業用途最廣泛的非金屬礦之一。我國目前發現的硅藻土礦均源于湖相沉積作用,這與該研究關于湖相硅藻沉積更高效的研究結果相符。袁鵬研究組近期的另一研究(Yuan et al., American Mineralogist, 2019)曾發現硅藻土中的硅藻蛋白石——硅藻沉積作用的終產物——具有“鋁鐵質表面薄膜及結構含鋁”的特殊微結構和微區成分,提出該特性應源于生物礦化階段或反風化作用中硅藻生物硅的界面反應。本次《自然-通訊》所報道的研究則回溯至硅藻在其生長階段與鋁的界面反應,并由其進一步證實了鋁在硅藻生長時即已被獲取并參與構建了硅藻骨架。這些結果表明,研究硅藻土的成礦模式,不僅需考慮水體沉積條件和后期埋藏條件等,還須深入探查硅藻生物硅沉積成巖過程中的微觀礦物界面反應機制(如生物硅-元素界面反應及生物硅的溶解等)。

  值得一提的是,鋁并非硅藻生長的必需元素;相反,溶解鋁在一定條件下對微生物具有毒害作用;因此,硅藻攝取并“固定”鋁這一獨特現象,值得在討論鋁的生物地球化學循環、歸趨及其生態效應(如微生物毒性)時予以考慮。總的來說,在硅藻生長期、生命活動期乃至生命終止期,其硅質多孔骨架構建、生物硅溶解和沉降、沉積成巖等過程均伴隨著有機質-礦物基體-溶解元素間的界面反應。鑒于硅藻種類、生長環境條件的高度多樣性,其生物礦化和生物地球化學行為或可產生復雜而影響深遠的環境和生態效應,有待不同學科研究者們共同關注并持續開展研究。

  該研究成果以Lake sedimentary biogenic silica from diatoms constitutes a significant global sink for aluminium 為題以全文(Article)形式發表。劉冬、袁鵬為論文的共同第一作者,袁鵬為通訊作者,田倩、劉紅昌、鄧亮亮、宋雅然、周軍明等九位研究人員和研究生為論文的共同作者。研究工作得到國家自然科學基金、國家高層次人才科技創新領軍人才項目、中科院青年促進會優秀會員項目、廣東省杰出青年基金和上海同步輻射光源用戶開放課題的資助。

  論文鏈接

  圖1. 梅尼小環藻生物硅的場發射掃描電鏡(FESEM)圖(a和b);以及飛行時間二次離子質譜的元素分布圖(硅分布的俯視和側視圖:c和d;鋁分布的俯視和側視圖:e和f)

圖2. 不同鋁濃度下培養的梅尼小環藻(圖a)和谷皮菱形藻(圖b)及其生物硅中的鋁硅原子比

打印 責任編輯:葉瑞優

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