活性鐵(FeR)是海洋表層沉積物中有機(jī)碳(OC)的重要匯，約20%的有機(jī)碳(TOC)以活性鐵結(jié)合OC(FeR-OC)的形式保存。然而，海底沉積物中FeR-OC的命運(yùn)及其對微生物的可利用性仍未確定。

2024年7月29日，上海交通大學(xué)王風(fēng)平團(tuán)隊(duì)在Nature Communications在線發(fā)表題為“Cycling and persistence of iron-bound organic carbon in subseafloor sediments”的研究論文，該研究重建了南海北部兩個(gè)沉積物巖心的連續(xù)FeR-OC記錄，F(xiàn)eR-OC庫可能支持海底微生物，并有助于調(diào)節(jié)地球的碳循環(huán)。

研究重建了南海北部兩個(gè)沉積物巖心的連續(xù)FeR-OC記錄，包括亞氧-甲烷生物地球化學(xué)帶，最大年齡為~100 kyr。下巖心FeR-OC對TOC的貢獻(xiàn)相對穩(wěn)定，為13.3±3.2%。然而，在硫酸鹽-甲烷過渡帶(SMTZ)中，TOC的值明顯低于5%，并伴隨著FeR-OC的顯著13C損耗。FeR-OC通過微生物介導(dǎo)的還原性溶解被再活化，然后再礦化，其通量為SMTZ甲烷消耗量的18-30%。微生物活躍的第四紀(jì)海洋沉積物中全球FeR-OC儲(chǔ)量可能是大氣碳庫大小的19-46倍。

在地質(zhì)時(shí)間尺度上，沉積有機(jī)碳(OC)埋藏速率對大氣中O2和CO2的濃度起著重要的控制作用，從而對地球環(huán)境條件產(chǎn)生重大影響?；钚澡F(FeR，定義為可以被二亞硫酸鈉還原溶解的鐵(氧合)氧化物)可以在廣泛的陸地和海洋環(huán)境中促進(jìn)OC的保存，因?yàn)殚L期以來人們認(rèn)為活性鐵結(jié)合OC(FeR-OC)在好氧條件下更不易被微生物降解。據(jù)估計(jì)，海洋表層沉積物中~20.2±15.5%的總OC(TOC)直接與Fe結(jié)合，相當(dāng)于全球7-54 Pg的OC(約占大氣CO2量的1-6%)，表明其在保存沉積OC方面具有潛在的重要作用。在地質(zhì)時(shí)間尺度上，鐵-碳含量的變化仍缺乏全面的認(rèn)識，但對更新世和古新世晚期至始新世早期沉積物的研究表明，鐵-碳含量在TOC中的比例(fFeR-OC)保持相對穩(wěn)定。然而，F(xiàn)eR-OC儲(chǔ)層與沉積生物地球化學(xué)過程的相互作用程度，特別是涉及鐵和硫氧化還原反應(yīng)的生物地球化學(xué)過程，仍未得到解決。

長期以來，人們也發(fā)現(xiàn)氟化鐵能夠促進(jìn)陸地土壤中有機(jī)物的保存，特別是通過吸附的方式。然而，近年來的研究表明，地下水位波動(dòng)過程中的氧化還原振蕩對土壤中有機(jī)碳和土壤中有機(jī)碳的相互作用有很大的影響。在缺氧條件下，F(xiàn)e還原釋放FeR-OC，增加土壤有機(jī)質(zhì)的厭氧再礦化。而在氧化條件下，新形成的FeR促進(jìn)了OC在礦物表面的保留。在缺氧海洋沉積物中，F(xiàn)e是一種積極參與生物地球化學(xué)過程的電子受體。微生物對Fe的還原和硫酸鹽還原過程中產(chǎn)生的生物硫化物都可能削弱與OC的關(guān)聯(lián)。

南海北部巖心分布圖及其生物地球化學(xué)分區(qū)（圖源自Nature Communications）

事實(shí)上，最近的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)表明，F(xiàn)eR-OC可以在微生物鐵還原過程中被重新激活，隨后被用作微生物群落的電子供體或碳源。因此，早期成巖作用中FeR-OC的再活化可能會(huì)影響沉積物中長期保存的FeR-OC儲(chǔ)層的相對大小。此外，預(yù)計(jì)FeR-OC的供應(yīng)將取決于水文條件，因?yàn)樗臈l件對大陸風(fēng)化和Fe形成的影響，以及通過影響陸架地形從而影響大陸碎屑向深海的輸送而對海平面的影響；這兩個(gè)因子預(yù)計(jì)在冰期-間冰期時(shí)間尺度上周期性變化。為解開沉積物FeR-OC供給和早期成巖改造對沉積FeR-OC的影響，需要建立下巖心FeR-OC記錄，并與地球化學(xué)分帶和沉積年代學(xué)相聯(lián)系。

研究對南海北部兩個(gè)重力巖心進(jìn)行了定量和同位素分析，以確定沉積FeR-OC的去向。QDN-G1為典型的陸坡沉積(1478 m水深)，而QDN-14B(1370 m水深)位于QDN-G1西南約35 km處，受附近冷滲漏排出的富甲烷流體影響。因此，QDN-14B可用于比較評價(jià)在發(fā)生硫酸鹽還原耦合有機(jī)質(zhì)再礦化或甲烷氧化的成巖活動(dòng)區(qū)，微生物活動(dòng)對FeR-OC潛在再活化的影響。同時(shí)，利用微生物活性相對較低的沉積物組成的QDN-G1巖心，建立了覆蓋過去97 kyr的年齡模型，探索冰期-間冰期時(shí)間尺度上FeR-OC的長期保存情況。

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