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鐵細菌可能在17億年前繁盛
2022-05-05 12:31:37   來源:化石網   評論:0 點擊:

不同水環境中的鐵氧化菌菌席 A:富Fe溪流中的鐵氧化菌菌席;B:海底火山噴口的鐵氧化菌菌席;C:受鐵氧化菌腐蝕的泰坦尼克號殘。ɑW整理)據中國科學院廣州地球化學研究所:鐵元素作為一種氧化還原敏感元素


不同水環境中的鐵氧化菌菌席 A:富Fe溪流中的鐵氧化菌菌席;B:海底火山噴口的鐵氧化菌菌席;C:受鐵氧化菌腐蝕的泰坦尼克號殘骸

(化石網整理)據中國科學院廣州地球化學研究所:鐵元素作為一種氧化還原敏感元素及重要的電子供體,能以多種形式在巖石圈、水圈、大氣和生物圈中循環,記錄了水圈、大氣圈和生物圈的演化過程,成為地質歷史時期地球表層環境氧化還原狀態、生命演化過程的重要的信息載體。此外,Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉化過程還能為鐵氧化菌等原核生物生長提供能量。
 
鐵氧化菌(Fe-oxidizing bacteria,FeOB)是一類可以利用鐵作為電子供體、氧為電子受體進行新陳代謝的原核生物。在氧氣濃度小于1 mg/L時,嗜中性鐵氧化細菌可以高效率地氧化水體中的Fe(Ⅱ),獲得生長所需要的能量。因此,鐵氧化菌是弱酸及近中性富鐵、貧氧水環境中Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉化的重要機制。據此,有學者認為鐵氧化菌的生物氧化過程是前寒武紀早期條帶狀鐵建造中Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉化的主要方式。
 
條帶狀鐵建造(Banded Iron Formation,BIF)作為地質歷史時期主要的富鐵沉積巖之一,是研究前寒武紀表生環境狀態及Fe在表生環境中循環的重要對象。然而,由于條帶狀鐵建造記錄在18-8億年內消失,使得對于這一長達10億年的時間內低氧表生環境中鐵氧化菌的存在形式、Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉化機制的認識存在爭議。華北克拉通南緣黛眉山地區約17億年汝陽群云夢山組地層中發育了一套以赤鐵礦為主的“鐵建造”,其形態和結構異于18億年前形成的傳統意義上的條帶狀鐵建造。深入研究云夢山組“鐵建造”,對認識18-8億年地球表生環境的氧化還原狀態與早期生命演化過程具有重大意義。
 
中國科學院廣州地球化學研究所的博士后仇一凡,在趙太平研究員和香港大學李一良副教授的指導下,基于沉積學、礦物學、元素地球化學、Fe-Cr同位素地球化學等手段,對黛眉山地區的云夢山組“鐵建造”的沉積環境、物質來源以及Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉化機制進行了探討,并與香港仔郊野公園的下水塘壩下采集的生物席樣品進行了對比。
 
沉積學研究表明,云夢山組“鐵建造”形成于間歇性暴露的潮下帶上部-潮間帶淺水環境。微量元素和Fe-Cr同位素等特征證明:(1)云夢山組“鐵建造”的鐵來源與FeOB菌席類似,即來自陸地巖石風化產生的可溶性Fe(Ⅱ);(2)云夢山組 “鐵建造”形成時出現了一次明顯的增氧事件,該時期表層水體中的氧氣濃度恰好處于以Gallionella為代表的微需氧鐵氧化菌的最適氧氣濃度范圍(~3至25 μM);(3)微需氧鐵氧化菌在上述條件下可以與氧氣競爭,快速氧化水體中溶解的Fe(Ⅱ),成為云夢山組“鐵建造”中Fe(Ⅱ)氧化的主要機制。
 
根據以上研究,該研究團隊提出,由于18-16億年地球海洋化學狀態改變,海洋深部富鐵水體中的Fe(Ⅱ)難以向表層輸送,造成條帶狀鐵建造消失。同時,由于該時期地表氧化風化作用增強,大量Fe(Ⅱ)從地表巖石中釋放,導致陸地環境極度富鐵。富鐵的表生水體和適宜的水體氧氣濃度,共同促進了FeOB代謝、增殖。因此,FeOB在全球陸地水環境中廣泛分布,成為Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉化的主要機制,該時期也成為地球生物鐵代謝的重大轉折。
 
該研究對于理解18-8億年大氣、海洋和生物圈的狀態及其相互作用具有重要意義,為全面認識前寒武紀鐵的生物地球化學循環過程提供了新的思路。
 
相關研究成果近期發表在Geophysical Research Letters。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃及中科院戰略性先導科技專項(B類)等的資助。
 
論文信息:Qiu, Y., Qin, L., Huang, F., Zhao, T., Li, Y. Early prosperity of iron bacteria at the end of the Paleoproterozoic era. Geophysical Research Letters n/a, e2022GL097877. https://doi.org/10.1029/2022GL097877

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