鐵在沉積物有機(jī)質(zhì)保存和循環(huán)中的作用

鐵在沉積物有機(jī)質(zhì)保存和循環(huán)中的作用

Karine Lalonde，Alfonso Mucci，Alexandre Ouellet and Yves Ge’linas.Preservation of organic matter in sediments promoted by iron.Nature，2012，438:198－200

徐祖新，編譯.朱建東，校.

早在40多年前有報(bào)道曾指出，在海洋沉積物有機(jī)質(zhì)與鐵的相互作用中，鐵與有機(jī)碳濃度變化的一致性。但由于鐵和有機(jī)碳通常都吸附于黏土礦物表面，這種相互作用被簡單地描述為:表面面積大、吸附能力強(qiáng)的細(xì)粒物質(zhì)表面，鐵和有機(jī)質(zhì)含量會(huì)相應(yīng)增加。但尚不明確的是，這種關(guān)聯(lián)是源于他們對固體表面強(qiáng)大的親和力，還是反映了鐵對有機(jī)碳的保存的促進(jìn)作用?鐵有利于有機(jī)質(zhì)的保存，在實(shí)驗(yàn)研究中得到了驗(yàn)證。同時(shí)，研究還表明，鐵對土壤中有機(jī)碳的保存也有利，但這種保存機(jī)制尚未在土壤沉積物中得到證實(shí)。

Karine Lalonde等利用檸檬酸—連二亞硫酸鐵還原方法，對不同沉積環(huán)境(淡水、黑海、大陸架、深海、三角洲等)中的沉積物樣品進(jìn)行了測試。該方法利用碳酸氫鈉以保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境的pH值為中性，這可以有效地防止有機(jī)質(zhì)水解及再次吸附在沉積物顆粒上，這種現(xiàn)象在酸性條件下經(jīng)常出現(xiàn)。在這種控制條件下釋放出的有機(jī)碳與鐵無關(guān)，因此與鐵伴生的有機(jī)碳量應(yīng)該由連二亞硫酸提取出的有機(jī)碳量減去該實(shí)驗(yàn)下得到的有機(jī)碳含量所求得。

結(jié)果表明，鐵與有機(jī)碳強(qiáng)的關(guān)聯(lián)度抑制了有機(jī)碳的微生物降解，從而利于有機(jī)碳的保存。測試結(jié)果同時(shí)證實(shí)了有機(jī)OC—Fe大分子結(jié)構(gòu)的存在，其在鐵還原過程中溶解并從沉積物中排出。鐵或鐵的氧化物對于有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)的形成起到了關(guān)鍵作用，通過強(qiáng)的共價(jià)鍵將他們固結(jié)在黏土顆粒上。

計(jì)算結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)吸附于活性鐵氧化物的表面，造成了高的MOC∶MFe(有機(jī)碳與鐵的摩爾比)。有機(jī)復(fù)合物與鐵的共沉淀或螯合作用，產(chǎn)生低密度的富有機(jī)結(jié)構(gòu)，MOC∶MFe在6～10之間。有機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在缺氧條件下特別穩(wěn)定，如在黑海及還原性的海底，MOC∶MFe高達(dá)7～32。而在氧化環(huán)境中，有機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降解，MOC∶MFe減小，如典型的陸架邊緣沉積物中。隨著氧化條件的加強(qiáng)及暴露于氧化環(huán)境時(shí)間的加長，MOC∶MFe不斷降低。

此外，他們還分析了大塊有機(jī)質(zhì)及與鐵伴生的有機(jī)碳碎片同位素及元素組成。多數(shù)情況下，與鐵伴生的有機(jī)碳富含13C，13C增長(1.7‰±2.8‰)。不穩(wěn)定的有機(jī)復(fù)合物與鐵的優(yōu)先結(jié)合可以解釋為什么活性有機(jī)復(fù)合物可以在沉積物中保存，而那些活性差的則被降解。

該發(fā)現(xiàn)對于理解沉積物中有機(jī)質(zhì)循環(huán)有著深遠(yuǎn)的意義。首先，前面描述的有機(jī)碳保存機(jī)制，優(yōu)先抑制富含13C和N的有機(jī)復(fù)合物微生物降解，可以幫助解釋困擾了有機(jī)地球化學(xué)家?guī)资甑碾y題:與沉積物中陸源有機(jī)質(zhì)相比，有機(jī)復(fù)合物有著更強(qiáng)的海相同位素和元素特征。數(shù)據(jù)同時(shí)表明，傳統(tǒng)的吸附加固機(jī)制，即黏土顆粒利于有機(jī)質(zhì)直接吸附在黏土表面，但無法準(zhǔn)確地解釋沉積物中所有有機(jī)復(fù)合物加固模式。有機(jī)大分子OC—Fe結(jié)構(gòu)的直接螯合作用或共沉淀作用對于有機(jī)碳與鐵結(jié)合起到了重要作用，進(jìn)一步的解釋還需要更多的工作。最終研究結(jié)果表明，埋藏于表層海洋沉積物有機(jī)碳的(21.5% ±8.6%)，或者全球約(19～45)×1015g有機(jī)碳由于與活性鐵伴生而保存下來?；钚澡F是有機(jī)碳長期保存的關(guān)鍵因素，因此對于碳、氧和硫的全球循環(huán)有著重要作用。