活性铁(FeR)是海洋表层沉积物中有机碳(OC)的重要汇，约20%的有机碳(TOC)以活性铁结合OC(FeR-OC)的形式保存。然而，海底沉积物中FeR-OC的命运及其对微生物的可利用性仍未确定。


2024年7月29日，上海交通大学王风平团队在Nature Communications在线发表题为“Cycling and persistence of iron-bound organic carbon in subseafloor sediments”的研究论文，该研究重建了南海北部两个沉积物岩心的连续FeR-OC记录，FeR-OC库可能支持海底微生物，并有助于调节地球的碳循环。


研究重建了南海北部两个沉积物岩心的连续FeR-OC记录，包括亚氧-甲烷生物地球化学带，最大年龄为~100 kyr。下岩心FeR-OC对TOC的贡献相对稳定，为13.3±3.2%。然而，在硫酸盐-甲烷过渡带(SMTZ)中，TOC的值明显低于5%，并伴随着FeR-OC的显著13C损耗。FeR-OC通过微生物介导的还原性溶解被再活化，然后再矿化，其通量为SMTZ甲烷消耗量的18-30%。微生物活跃的第四纪海洋沉积物中全球FeR-OC储量可能是大气碳库大小的19-46倍。


在地质时间尺度上，沉积有机碳(OC)埋藏速率对大气中O2和CO2的浓度起着重要的控制作用，从而对地球环境条件产生重大影响。活性铁(FeR，定义为可以被二亚硫酸钠还原溶解的铁(氧合)氧化物)可以在广泛的陆地和海洋环境中促进OC的保存，因为长期以来人们认为活性铁结合OC(FeR-OC)在好氧条件下更不易被微生物降解。据估计，海洋表层沉积物中~20.2±15.5%的总OC(TOC)直接与Fe结合，相当于全球7-54 Pg的OC(约占大气CO2量的1-6%)，表明其在保存沉积OC方面具有潜在的重要作用。在地质时间尺度上，铁-碳含量的变化仍缺乏全面的认识，但对更新世和古新世晚期至始新世早期沉积物的研究表明，铁-碳含量在TOC中的比例(fFeR-OC)保持相对稳定。然而，FeR-OC储层与沉积生物地球化学过程的相互作用程度，特别是涉及铁和硫氧化还原反应的生物地球化学过程，仍未得到解决。


长期以来，人们也发现氟化铁能够促进陆地土壤中有机物的保存，特别是通过吸附的方式。然而，近年来的研究表明，地下水位波动过程中的氧化还原振荡对土壤中有机碳和土壤中有机碳的相互作用有很大的影响。在缺氧条件下，Fe还原释放FeR-OC，增加土壤有机质的厌氧再矿化。而在氧化条件下，新形成的FeR促进了OC在矿物表面的保留。在缺氧海洋沉积物中，Fe是一种积极参与生物地球化学过程的电子受体。微生物对Fe的还原和硫酸盐还原过程中产生的生物硫化物都可能削弱与OC的关联。

南海北部岩心分布图及其生物地球化学分区（图源自Nature Communications）


事实上，最近的实验室培养表明，FeR-OC可以在微生物铁还原过程中被重新激活，随后被用作微生物群落的电子供体或碳源。因此，早期成岩作用中FeR-OC的再活化可能会影响沉积物中长期保存的FeR-OC储层的相对大小。此外，预计FeR-OC的供应将取决于水文条件，因为水文条件对大陆风化和Fe形成的影响，以及通过影响陆架地形从而影响大陆碎屑向深海的输送而对海平面的影响；这两个因子预计在冰期-间冰期时间尺度上周期性变化。为解开沉积物FeR-OC供给和早期成岩改造对沉积FeR-OC的影响，需要建立下岩心FeR-OC记录，并与地球化学分带和沉积年代学相联系。


研究对南海北部两个重力岩心进行了定量和同位素分析，以确定沉积FeR-OC的去向。QDN-G1为典型的陆坡沉积(1478 m水深)，而QDN-14B(1370 m水深)位于QDN-G1西南约35 km处，受附近冷渗漏排出的富甲烷流体影响。因此，QDN-14B可用于比较评价在发生硫酸盐还原耦合有机质再矿化或甲烷氧化的成岩活动区，微生物活动对FeR-OC潜在再活化的影响。同时，利用微生物活性相对较低的沉积物组成的QDN-G1岩心，建立了覆盖过去97 kyr的年龄模型，探索冰期-间冰期时间尺度上FeR-OC的长期保存情况。


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