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新萄京娱乐网址研究揭示湖泊硅藻生物硅是地球重要铝汇

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  在国家自然科学基金项目(批准号:41772041,41202024,
40872042)等资助下,中科院广州地球化学研究所袁鹏研究员课题组在硅藻驱动的硅-铝地球化学共循环机制研究中取得重要进展。成果以“Lake
sedimentary biogenic silica from diatoms constitutes a significant
global sink for
aluminium”(湖泊沉积硅藻生物硅构成地球的重要铝汇)为题,发表于2019年10月23日出版的《自然-通讯》(Nature
Communications
)。中科院广州地球化学研究所刘冬副研究员和袁鹏研究员为论文的共同第一作者,袁鹏为通讯作者,田倩等其他九位研究生和科研人员为论文的共同作者。论文链接:

研究揭示湖泊硅藻生物硅是地球重要铝汇

日前,由陈骏院士带领的表生地球化学教育部重点实验室地质微生物研究团队在矿物风化研究领域取得突破性进展,
研究成果以“Cellular dissolution at hypha- and spore-mineral interface
revealing unrecognized mechanisms and scales of fungal
weathering”为题,3月6号在线发表于地质学学科国际顶尖期刊Geology,引起了国际相关研究领域的广泛关注。文章链接是

  铝是地壳中丰度最高的金属元素,其循环和归趋不仅与多种成岩成矿作用密切相关,也显著影响着诸多生物地球化学过程。硅藻是一种具有硅质细胞壁(矿物成分为蛋白石)的浮游微生物,广泛分布于各种水体。其通过光合作用吸收二氧化碳的量约占地球生态系统的五分之一,因此,硅藻生物硅的归趋对于理解全球硅、碳等元素循环具有极为重要的意义。硅藻的生命活动及相关生物地球化学过程受到其生长环境中元素浓度的影响。天然淡水湖泊中具有较高的溶解铝浓度(可达微摩尔每升),然而,对湖泊生物硅在高铝浓度条件下的结构-成分“响应”一直以来缺乏研究认识,制约了对硅藻生物硅的地球化学行为及其效应的深入理解。

记者从中国科学院广州地球化学研究所获悉,该所袁鹏等科研人员对湖泊硅藻及其生物硅中铝的赋存特征开展了深入研究,发现铝类质同象置换硅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,提出湖泊沉积生物硅中的铝构成了地球的一个重要铝汇。相关研究日前发表于《自然通讯》。

早在本世纪初,陈骏院士及其团队就开始关注微生物在元素地球化学循环过程中的作用。2003年“地质微生物研究室”成立,专注于微生物在岩石和矿物风化领域的研究,该团队论文“微生物地球化学及其研究进展”和“地质微生物学及其发展方向
”是大陆较早关注微生物地球化学的研究成果之一。

  袁鹏课题组从我国淡水湖泊中采集了代表性种属的淡水硅藻以提取其生物硅,与在模拟湖泊水体条件下培养所得硅藻的生物硅进行对比研究;运用高分辨微区分析和精细谱学方法,系统研究了湖泊硅藻生物硅中铝的赋存状态和含量。研究发现,铝以类质同象置换硅的形式在硅藻生物硅结构中稳定赋存且含量较高。采用湖泊生物硅沉积率数据测算得出,汇集于湖泊沉积硅藻生物硅中的铝量堪比海洋沉积硅藻生物硅中的铝量,从而揭示出湖泊硅藻生物硅是地球的重要“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,这可能是湖泊硅藻“生物泵”作用固碳效率高的重要原因。

硅藻广泛分布于地球水体,其生命活动和硅质遗骸的归趋构成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广泛研究,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,一直未得到应有的关注。

随后,在全球气候变暖问题日益严重的背景下,温室气体二氧化碳浓度成为了科学界的重要议题,矿物碳酸盐化(通过CO2与含Mg或Ca的硅酸盐矿物反应生成碳酸盐)能够实现碳封存,缓解全球气候变暖趋势。但这个过程受制于Mg或Ca从矿物中的提取速率。而微生物具有快速风化矿物的潜力,因此对微生物作用的研究成为解决这个问题的突破口。蛇纹石([Mg3Si2O5因其Mg含量高及地表分布广泛的特点被公认为是用来封存CO2的最好原材料之一。通过野外工作获得模式真菌Talaromyces
flavus后,研究团队利用该真菌对利蛇纹石风化效率进行了对比实验,结果发现该真菌可以将利蛇纹石中Mg提取效率提高近一倍。至此,探究真菌风化作用机制便是研究进展中的关键问题,也是领域内亟需解决的重大科学问题。

  鉴于硅藻在全球生物地球化学循环中的重要作用,该研究揭示的“硅藻-矿物基体-溶解铝”之间的独特界面反应机制,为研究硅藻驱动的硅-碳-铝元素循环、硅藻沉积固碳作用乃至硅藻土成矿机制提供了新的依据,对深入理解硅藻生物地球化学行为及其环境效应具有重要意义。

研究人员以我国太湖、乌梁素海等淡水湖泊中的梅尼小环藻和谷皮菱形藻等为研究对象,开展了不同铝浓度下的硅藻培养实验,对采集和培养的硅藻及其生物硅进行了系统的微区结构成分分析。

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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。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。

真菌菌丝在利蛇纹石矿物表面形成的~85微米长溶蚀通道及菌丝-矿物界面以下矿物特征的变化

图.
左图为硅藻(梅尼小环藻)生物硅的场发射扫描电镜(FESEM)图(俯视和侧视图);右图为生物硅中硅和铝分布的飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)图

相关论文信息:

据此,该团队设计了巧妙的实验方法、使用一系列先进的分析测试仪器
对真菌代谢有机分子和附着真菌细胞局部的溶解过程进行系统的研究,实验发现:
模式真菌通过胞外有机分子和细胞-矿物界面过程共同加快矿物的溶解;附着在矿物表面的菌丝和孢子都会直接溶解矿物,产生局部溶蚀现象。菌丝借助生物物理力在矿物表面带来比孢子高一个数量级的溶解速率,其中孢子的溶解作用是该研究领域内第一次科学系统的报道。研究计算分析出的细胞-矿物界面带来的矿物溶解占总风化量的40%~50%,大大高于前人估算的1%。本次研究的发现对碳和营养的生物地球化学循环、环境地球化学,以及生态系统的演化都具有重要意义。因此,文章在Geology上线后便立即引起了科学界的关注。目前,Science和美国地球物理学会对通讯作者滕辉教授进行了专访,并针对研究过程、研究成果及其重要意义进行了详实且系统的报道。

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Science对该文章的新闻报道()

该研究所有实验和分析测试均在南京大学完成,研究过程中内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、污染控制与资源化研究国家重点实验室、
医药生物技术国家重点实验室和生命分析化学国家重点实验室的众多工作人员都给予了积极的支持和帮助。该研究得到了中国地质调查局地质调查工作项目(12120113005400)和国家基金委创新研究群体科学基金的支持。

(地球科学与工程学院 科学技术处)

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