深海“碳库”惊人发现：铁锈竟是地球气候的“稳定器”？

大家知道，气候变化是个大问题，而碳排放是罪魁祸首之一。科学家们一直在寻找能把碳“锁”起来的方法，让它不再影响气候。最近，科学家们在海底发现了一个巨大的“碳仓库”。正是海底的铁锈，“锁”住了大量的碳。海底藏着一种特殊的铁锈。这种铁锈就像一个强力磁铁，能牢牢地吸住碳元素。这些被铁锈吸住的碳，就好像被锁在了海底的“保险箱”里，很难跑出来。科学家们把这种被铁锈锁住的碳，叫做“铁结合有机碳”。

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2024年7月29日，来自德国不来梅大学海洋环境科学研究中心(MARUM)的科学家们在《自然通讯》期刊上发表的一篇最新的研究中，揭示了海底沉积物中铁结合有机碳的动态循环的新见解。

©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

长期以来，海洋沉积物中有机碳的保存问题一直是地球长期碳循环研究中未解的关键之一。在地质时间尺度上，沉积有机碳的埋藏速率对大气氧气和二氧化碳的浓度起到重要控制作用，进而对地球的环境条件产生重大影响。在海洋沉积物中，大约20%的有机碳直接结合活性铁氧化物(FeR)。然而，这些活性铁结合有机碳(FeR-OC)在海底沉积物中的命运以及其对微生物的可利用性一直未确定。

上图：该海洋地形图展示了海底的各种地貌特征，其中包括大陆架和海洋高原（以红色表示）、中洋脊（以黄绿色标记）以及深海平原（用蓝色至紫色表示）。与陆地地形类似，海底也存在山脉、火山、山脊、峡谷和平原等地形特征。这些地形结构不仅塑造了海洋的物理面貌，也深刻影响了海洋生态系统的分布和功能。大陆架是连接陆地与深海区域的过渡带，海洋高原则是位于海底的隆起区域；而中洋脊则是海底新生地壳形成的地方，深海平原则覆盖了大部分的海底，是海洋中最广阔的区域。这些地貌特征的多样性揭示了海洋深处复杂的地质活动与演变过程。图源：公域（图文无关）

为了研究这个问题，科学家们重建了南海北部两个沉积岩芯中连续的FeR-OC记录，涵盖了缺氧到甲烷生物地球化学带，最长可达10万年。

研究表明，在微生物活动旺盛的硫酸盐-甲烷转化区(SMTZ)中，FeR-OC在微生物介导的铁还原过程中被重新动员，并因此被微生物分解成矿物质。产生的能量可以维持SMTZ中约一米厚的大部分微生物生命活动。

除了SMTZ之外，相对稳定的总有机碳比例以FeR-OC的形式存活下来，并在地质时期储存在海洋沉积物中，避免了微生物的降解过程。

该研究的第一作者、现任“海底-地球未知界面”卓越集群的博士后研究员陈云如博士（音译）说：“这意味着，微生物活动第四纪海洋沉积物中FeR-OC的全球预计储量可能比大气碳库大18到45倍。”

这项研究为评估沉积FeR-OC对沉积后微生物活动的稳定性迈出了关键一步，并揭示了其在海底沉积物中的动态循环和持久性。这项成果将被纳入由MARUM协调的“海底”卓越集群。

上图：该研究的研究区域及采样站点图。摘自：《千年尺度上铁结合有机碳在北极海洋沉积物中的持久性》。图源：Faust, J.C., Tessin, A., Fisher, B.J. et al.

感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：

Yunru Chen, Liang Dong, Weikang Sui, Mingyang Niu, Xingqian Cui, Kai-Uwe Hinrichs, Fengping Wang. Cycling and persistence of iron-bound organic carbon in subseafloor sediments. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-50578-5

有机碳

有机碳（Organic Carbon）是指由生物体合成的碳化合物，广泛存在于动植物组织、微生物以及土壤和沉积物中。它在地球碳循环中扮演着重要角色，影响大气中二氧化碳的浓度和地球气候。

铁氧化物

铁氧化物（Iron Oxides）是铁元素与氧气反应形成的化合物，通常表现为矿物质，如赤铁矿（Fe₂O₃）和磁铁矿（Fe₃O₄）。在海洋沉积物中，铁氧化物可以与有机碳结合，影响其保存和循环过程。

反应性铁氧化物

反应性铁氧化物（Reactive Iron Oxides, FeR）是指在化学反应中具有较高活性的铁氧化物，能够与有机物发生反应，从而影响有机碳的保存和降解过程。

反应性铁结合的有机碳

反应性铁结合的有机碳（FeR-bound Organic Carbon, FeR-OC）是指有机碳与反应性铁氧化物结合形成的复合物。这种结合形式的有机碳在海洋沉积物中通常较为稳定，并在地质时间尺度上对碳循环具有重要影响。

硫酸盐-甲烷过渡区

硫酸盐-甲烷过渡区（Sulfate-Methane Transition Zone, SMTZ）是指海洋沉积物中硫酸盐还原和甲烷生成的过渡带。在这一地区，微生物的活性很高，影响有机物的降解和再矿化过程。

微生物再矿化

微生物再矿化（Microbial Remineralization）是指微生物通过代谢活动将有机物质转化为矿物质形式的过程。这个过程在沉积物中发生，影响有机碳的循环和保存。

沉积物有机碳储量

沉积物有机碳储量（Sedimentary Organic Carbon Reservoir）指的是存储在海洋和陆地沉积物中的有机碳总量。这个储量对理解全球碳循环和气候变化具有重要意义。

“海洋底层 – 地球未探索的边界”

“海洋底层 – 地球未探索的边界”（The Ocean Floor -- Uncharted Interface of the Earth） 卓越研究集群项目是一项大型的、跨学科的科学研究计划，由不来梅大学MARUM海洋环境科学中心负责协调，其核心目标是深入探索和理解地球海洋底部——这一我们所知甚少的区域。该项目致力于揭示海洋底层这一地球表面71%被覆盖的神秘区域的复杂作用。海洋底层位于海洋表面下约3700米深处，由于探测困难，科学家们对其了解仍有限。项目目标是量化海洋底层的交换过程及其对地球系统的影响，涉及开发新技术进行观测和采样，运用高度敏感的分析方法，以及扩展数值模型的应用。通过跨学科的合作，该项目希望深入理解海洋底层的地质、物理、生物和化学过程如何影响全球气候和碳循环，从而为全球科学研究提供重要数据和洞察。笔者注意到MARUM上的介绍，参与此项目的机构包括不来梅大学的地球科学学院和MARUM海洋环境科学中心，上海交通大学生命科学与生物技术学院微生物代谢国家重点实验室、极地生态与气候变化教育部重点实验室及海洋学院，以及珠海南方海洋科学与工程广东省实验室。

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编译 | 昆山

编辑 | Richard

排版 | 绿叶

http://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-50578-5

https://www.marum.de/en/Iron-oxides-in-the-oceanfloor.html

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0424

https://www.marum.de/en/The-Ocean-Floor.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240819130724.htm

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