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广州地化所在硅藻驱动的硅

2019-12-16

近来,斯普林格·天然出版社旗下学术期刊《天然-通讯》在线宣布了中科院广州地球化学所矿藏表界面效果学科组袁鹏研讨组关于硅藻生物硅影响硅-铝地球化学循环机制的研讨成果。该研讨发现,铝经过类质同象置换硅的方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。根据全球海洋和湖泊生物硅的堆积率数据,该研讨提出,赋存于湖泊堆积生物硅骨架中的铝构成了地球的一个重要铝汇,其年堆积量的规划堪比海洋生物硅所构成的铝汇。该研讨还指出,湖泊硅藻生物硅的溶解率因其高铝含量而明显下降,有利于进步湖泊硅藻驱动的“生物泵”固碳功率;该效应对提醒湖泊系统的固碳效果机制及其影响具有重要意义。

铝是地壳中含量最丰厚的金属元素,其地球化学循环与多种成岩成矿效果密切相关,是地球物质循环的重要环节。硅藻广泛散布于地球水体环境,是地球上最“成功”的浮游光合生物之一。其光合效果的生物固碳量逾地球生态系统的五分之一,超越全球热带雨林固碳量的总和。硅藻仍是少量可以吸取硅元素制作本身细胞壁的代表性水生生物,故其生命活动和其硅质遗骸的归趋构成了全球硅-碳共循环的首要环节。海水中的溶解铝对硅藻成长的影响及其与海洋硅藻生物硅之间的界面反响已招引了广泛研讨重视。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“呼应”及其所造成的地球化学效应,一向未得到应有的研讨重视。

为此,袁鹏研讨组从矿藏-微生物界面效果的视点下手,以我国太湖、乌梁素海等淡水湖泊中的硅藻为研讨目标,要点研讨了具代表性的梅尼小环藻和谷皮菱形藻;展开了不同铝浓度下的硅藻培育试验,对收集和培育所获硅藻及其生物硅进行了系统的微区结构-成分剖析,将高分辩微区剖析与根据丰厚硅藻及生物硅样品的成分剖析相结合,获得了湖泊硅藻及其生物硅中铝赋存特征的全面知道。研讨发现,铝经过类质同像置换硅的方式赋存于硅藻生物硅中;湖泊生物硅中的铝含量到达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堆积所构成的铝汇达109kg量级,其规划与海洋生物硅堆积所造成的铝汇附近。该发现证明湖泊环境中硅藻的成长、溶解和堆积构成了一个重要的硅-铝共循环系统,其结果是全球湖泊堆积物构成了巨大的生物铝汇。该铝汇占陆源生物铝总量的适当份额,影响着全球海洋铝的陆源输入量,对铝循环所涉地球化学进程具有多方面的潜在影响。这启示咱们,在构建全球铝、硅等元素循环模型时,有必要考虑湖泊硅藻生物硅所造成的铝汇的效果。

图1. 梅尼小环藻生物硅的场发射扫描电镜图;以及飞翔时刻二次离子质谱的元素散布图

图2. 不同铝浓度下培育的梅尼小环藻和谷皮菱形藻及其生物硅中的铝硅原子比

鉴于硅藻在水圈、生物圈甚至岩石圈中对地球物质循环的影响广泛,该作业所获发现对硅藻“生物泵”固碳效果、硅藻堆积成矿机制等相关科学问题的研讨亦具有参考价值,有望“激起更多的研讨作业和评论”。例如,在硅藻“生物泵”效果中,“幸存”的硅藻生物硅抵达堆积层是硅藻生物泵完成有用固碳的关键环节。湖泊硅藻生物硅因高铝含量致其溶解性下降,应是湖泊生物硅堆积比海洋生物硅堆积更高效的一个重要原因。这提示人们需从头考虑湖泊系统在地球生物固碳进程中的效果和影响。

再者,硅藻生物硅堆积对其构成矿产资源具有重要意义。硅藻很多堆积、成岩所构成的硅藻土矿的全球储量以十亿吨计;硅藻土因其许多优异性质已成为工业用处最广泛的非金属矿之一。我国现在发现的硅藻土矿均源于湖相堆积效果,这与该研讨关于湖相硅藻堆积更高效的研讨结果相符。袁鹏研讨组近期的另一研讨曾发现硅藻土中的硅藻蛋白石——硅藻堆积效果的终产物——具有“铝铁质外表薄膜及结构含铝”的特别微结构和微区成分,提出该特性应源于生物矿化阶段或反风化效果中硅藻生物硅的界面反响。本次《天然-通讯》所报导的研讨则回溯至硅藻在其成长阶段与铝的界面反响,并由其进一步证明了铝在硅藻成长时即已被获取并参加构建了硅藻骨架。这些结果表明,研讨硅藻土的成矿方式,不只需考虑水体堆积条件和后期埋藏条件等,还须深化探查硅藻生物硅堆积成岩进程中的微观矿藏界面反响机制。

值得一提的是,铝并非硅藻成长的必需元素;相反,溶解铝在必定条件下对微生物具有毒害效果;因而,硅藻吸取并“固定”铝这一一起现象,值得在评论铝的生物地球化学循环、归趋及其生态效应时予以考虑。总地来说,在硅藻成长期、生命活动期甚至生命停止期,其硅质多孔骨架构建、生物硅溶解和沉降、堆积成岩等进程均伴随着有机质-矿藏基体-溶解元素间的界面反响。鉴于硅藻品种、成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发生杂乱而影响深远的环境和生态效应,有待不同学科研讨者们一起重视并继续展开研讨。

该研讨成果以“Lake sedimentary biogenic silica from diatoms constitutes a significant global sink for aluminium”为题以全文方式宣布。刘冬、袁鹏为论文的一起榜首作者,袁鹏为通讯作者,田倩、刘红昌、邓亮亮、宋雅然、周军明等九位研讨人员和研讨生为论文的一起作者。研讨作业得到了国家天然科学基金、国家高层次人才科技立异领军人才项目、中科院青年促进会优异会员项目、广东省杰出青年基金和上海同步辐射光源用户敞开课题的赞助。

论文全文链接如下:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12828-9。

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