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硅藻驱动的硅-铝地球化学共循环及其所涉矿物界面作用研究获进展

2019-10-29 广州地球化学研究所
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  近日,《自然-通讯》(Nature Communications)期刊在线发表了中国科学院广州地球化学研究所矿物表界面作用学科组袁鹏研究组关于硅藻生物硅(硅藻的无机壳体)影响硅-铝地球化学循环机制的研究成果。该研究发现,铝通过类质同象置换硅的形式进入湖泊硅藻的氧化硅骨架中,其铝含量远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积率数据,该研究提出,赋存于湖泊沉积生物硅骨架中的铝构成了地球的一个重要铝汇,其年沉积量的规模堪比海洋生物硅所构成的铝汇。该研究还指出,湖泊硅藻生物硅的溶解率因其高铝含量而显著降低,有利于提高湖泊硅藻驱动的“生物泵”固碳效率;该效应对揭示湖泊体系的固碳作用机制及其影响具有重要意义。

  铝是地壳中含量最丰富的金属元素,其地球化学循环与多种成岩成矿作用密切相关,是地球物质循环的重要环节。硅藻广泛分布于地球水体环境,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态系统的五分之一,超过全球热带雨林固碳量的总和。硅藻还是少数能够摄取硅元素建造自身细胞壁(矿物成分为A型蛋白石)的代表性水生生物,故其生命活动和其硅质遗骸的归趋构成了全球硅-碳共循环的主要环节。海水中的溶解铝对硅藻生长的影响及其与海洋硅藻生物硅之间的界面反应已吸引了广泛研究关注。而实际上,海洋水体中溶解铝的浓度远低于淡水湖泊中的铝浓度;但关于湖泊生物硅在相对高铝浓度条件下的结构-成分“响应”及其所致地球化学效应,一直未得到应有的研究关注。

  为此,袁鹏研究组从矿物-微生物界面作用的角度入手,以我国太湖、乌梁素海等淡水湖泊中的硅藻为研究对象,重点研究了具代表性的梅尼小环藻和谷皮菱形藻(全球淡水湖泊中分布最广泛的两种硅藻);开展了不同铝浓度下的硅藻培养实验,对采集和培养所获硅藻及其生物硅进行了系统的微区结构-成分分析,将高分辨微区分析(飞行时间二次离子质谱等;图1)与基于丰富硅藻及生物硅样品的成分分析(图2)相结合,获得了湖泊硅藻及其生物硅中铝赋存特征的全面认识。研究发现,铝通过类质同像置换硅的形式赋存于硅藻生物硅中;湖泊生物硅中的铝含量达到海洋生物硅中铝含量的六倍以上;地球上每年因湖泊硅藻生物硅沉积所形成的铝汇达109kg量级,其规模与海洋生物硅沉积所致铝汇相近。该发现证明湖泊环境中硅藻的生长、溶解和沉积构成了一个重要的硅-铝共循环体系,其结果是全球湖泊沉积物形成了巨大的生物铝汇。该铝汇占陆源生物铝总量的相当比例,影响着全球海洋铝的陆源输入量,对铝循环所涉地球化学过程(如反风化作用)具有多方面的潜在影响(详见论文)。这启示我们,在构建全球铝、硅等元素循环模型时,必须考虑湖泊硅藻生物硅所致铝汇的作用。

  鉴于硅藻在水圈、生物圈乃至岩石圈中对地球物质循环的影响广泛,该工作所获发现对硅藻“生物泵”固碳作用、硅藻沉积成矿机制等相关科学问题的研究亦具有参考价值,有望“激发更多的研究工作和讨论”(录自论文的终审意见)。例如,在硅藻“生物泵”作用中,“幸存(即未在沉降过程中溶解)”的硅藻生物硅抵达沉积层是硅藻生物泵实现有效固碳的关键环节。湖泊硅藻生物硅因高铝含量致其溶解性下降,应是湖泊生物硅沉积比海洋生物硅沉积更高效的一个重要原因。这提示人们需重新思考湖泊体系在地球生物固碳过程中的作用和影响。

  再者,硅藻生物硅沉积对其形成矿产资源具有重要意义。硅藻大量沉积、成岩所形成的硅藻土矿(硅藻蛋白石与共生矿物的聚集体)的全球储量以十亿吨计;硅藻土因其诸多优异性质已成为工业用途最广泛的非金属矿之一。我国目前发现的硅藻土矿均源于湖相沉积作用,这与该研究关于湖相硅藻沉积更高效的研究结果相符。袁鹏研究组近期的另一研究(Yuan et al., American Mineralogist, 2019)曾发现硅藻土中的硅藻蛋白石——硅藻沉积作用的终产物——具有“铝铁质表面薄膜及结构含铝”的特殊微结构和微区成分,提出该特性应源于生物矿化阶段或反风化作用中硅藻生物硅的界面反应。本次《自然-通讯》所报道的研究则回溯至硅藻在其生长阶段与铝的界面反应,并由其进一步证实了铝在硅藻生长时即已被获取并参与构建了硅藻骨架。这些结果表明,研究硅藻土的成矿模式,不仅需考虑水体沉积条件和后期埋藏条件等,还须深入探查硅藻生物硅沉积成岩过程中的微观矿物界面反应机制(如生物硅-元素界面反应及生物硅的溶解等)。

  值得一提的是,铝并非硅藻生长的必需元素;相反,溶解铝在一定条件下对微生物具有毒害作用;因此,硅藻摄取并“固定”铝这一独特现象,值得在讨论铝的生物地球化学循环、归趋及其生态效应(如微生物毒性)时予以考虑。总的来说,在硅藻生长期、生命活动期乃至生命终止期,其硅质多孔骨架构建、生物硅溶解和沉降、沉积成岩等过程均伴随着有机质-矿物基体-溶解元素间的界面反应。鉴于硅藻种类、生长环境条件的高度多样性,其生物矿化和生物地球化学行为或可产生复杂而影响深远的环境和生态效应,有待不同学科研究者们共同关注并持续开展研究。

  该研究成果以Lake sedimentary biogenic silica from diatoms constitutes a significant global sink for aluminium 为题以全文(Article)形式发表。刘冬、袁鹏为论文的共同第一作者,袁鹏为通讯作者,田倩、刘红昌、邓亮亮、宋雅然、周军明等九位研究人员和研究生为论文的共同作者。研究工作得到国家自然科学基金、国家高层次人才科技创新领军人才项目、中科院青年促进会优秀会员项目、广东省杰出青年基金和上海同步辐射光源用户开放课题的资助。

  

  图1. 梅尼小环藻生物硅的场发射扫描电镜(FESEM)图(a和b);以及飞行时间二次离子质谱的元素分布图(硅分布的俯视和侧视图:c和d;铝分布的俯视和侧视图:e和f)

图2. 不同铝浓度下培养的梅尼小环藻(图a)和谷皮菱形藻(图b)及其生物硅中的铝硅原子比

打印 责任编辑:叶瑞优

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