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【前沿报道】Nature Geoscience:27億年前的富铵海洋
2019-11-26 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  地球表面化學環境在地質曆史時期發生了重大的變化,其中24-22億年前的早元古代大氧化事件(Great Oxidation EventGOE)和8-5億年前新元古代大氧化事件(Neoproterozoic oxidation EventNOE),使地球從完全缺氧的狀態逐漸過渡到現代的氧化水平(Lyons et al., 2014)。這些氧化事件也深刻地影響著其他元素的地球化學循環過程,比如氧化還原敏感元素和生命元素氮的地球化學循環。在早中太古代,海洋可能以缺氧氮循環爲特征,其氮循環主要包括固氮作用、铵化作用和铵的吸收作用(圖1Stüeken et al., 2016)。早元古代大氧化事件以後,全球海洋含氧氮循環開始廣泛出現(Kipp et al., 2018),即出現了富NO3-的海洋,其代謝過程包括硝化作用、反硝化作用、铵的厭氧氧化作用、異養硝酸鹽還原作用壹s跋跛猁}的吸收同化作用(圖1)。氧氣含量的增加普遍被認爲跟海洋産氧光合作用有關,那麽在大氧化事件發生的前夕,海洋氮循環是何時壹s叭绾雾憫産氧光合作用的呢? 

1  海洋氮循环示意圖。不同氮循环所需要的辅酶因子壹s耙起的氮同位素分馏已标注在圖上,其中黑色路径代表了缺氧氮循环,黄色路径代表了次氧化的氮循环,蓝色路径代表了含氧氮循环;次氧化的和含氧氮循环可能直到晚太古代才出现(Stüeken et al., 2016

  在此背景下,英國聖安德魯斯大學的研究人員Yang Jie及其合作者在Nature Geoscience發表了最新成果Yang et al., 2019),他們選擇了津巴布韋Belingwe Greenstone Belt27億年前Manjeri沈積岩,地層從下到上分別是Spring Valley段、Shavi段和Jimmy段,含有叠层石和藻席(圖2),能夠直接提供産氧光合作用的證據。由于不同的氮代謝方式對應著不同的氮同位素分餾(Stüeken et al., 2016),他們分析了地層中的氮同位素和其他氧化還原指標包括铁組分、硫同位素和碳同位素,来评估太古代晚期海洋的氮循环过程及氧化还原状态,以揭示氮循环对产氧光合作用的响应过程壹s岸陨产力和生物圈的指示意义。 

  Manjeri的铁組分、硫同位素数据指示(圖2),下部Spring ValleyShavi的沈積水體爲持續的缺氧富鐵條件,而上部Jimmy段在氧化和還原條件之間擺動。由于其碳同位素數據和疊層石指示了其沈積環境跟産氧光合作用有關,Jimmy段可能位于間歇性氧氣綠洲的氧化還原界面附近(Abell et al., 1985)。Manjeri組的氮同位素数据显示,海洋氮循环以生物固氮作用和铵的不完全吸收作用的缺氧氮循環爲主,沒有明顯的含氧氮循環的信號(圖 2。因此,即使局部淺水由于産氧光合作用出現氧化還原變動,晚太古代的海洋還是以缺氧氮循環爲主,生物可利用氮主要來源于铵的吸收作用和固氮作用。研究人員利用铵的不完全吸收作用分餾系數和沈積物的氮同位素值建立了瑞模型,得到當時沈積水體70%-90%的铵庫被生物吸收利用。因此,在晚太古代的海洋,産氧光合作用的出現使初級生産力和輸出生産力增強,有機質在缺氧水柱中的降解會使铵富集在深水中,即使在局部淺水出現氧氣綠洲 硝化作用(在氧化条件下,铵氧化成硝酸盐的过程;圖1)产生的硝酸盐,在晚太古代广泛分布的缺氧条件下,通过反硝化作用(在次氧化条件下,硝酸盐还原成分子氮的过程;圖1)快速轉變成N2而丟失,不能被生物利用。深水中的铵通過上升流被帶到透光帶,爲初級生産者提供營養物質。這種獨特的氮循環模式可能只出現在産氧光合作用出現以後和GOE之前的晚太古代海洋。 

  這項研究工作結合了多種地球化學手段和古生物證據,證實了27億年前产氧光合作用下的氧化綠洲海洋,是以缺氧氮循環爲主,铵可能是生物圈重要的氮營養元素。 

2 津巴布韋27億年前Manjeri組的岩性和地球化学数据,数据包括铁組分、硫同位素、碳同位素和氮同位素,其中FeHR/FeT的藍色和綠色方塊分別代表著氧化和缺氧條件,FePy/FeHR的紅色和紫色方塊分別代表著缺氧富鐵和缺氧硫化環境(Yang et al., 2019

  【致謝:感謝馮連君高級工程師和王旭副研究員的寶貴修改意見。】     

  主要參考文獻 

  Abell P I, McClory J, Martin A, et al. Archaean stromatolites from the Ngesi Group, Belingwe greenstone belt, Zimbabwe; preservation and stable isotopes—preliminary results[J]. Precambrian Research, 1985, 27(4): 357-383.鏈接 

  Kipp M A, Stüeken E E, Yun M, et al. Pervasive aerobic nitrogen cycling in the surface ocean across the Paleoproterozoic Era[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 500: 117-126.鏈接 

  Lyons T W, Reinhard C T, Planavsky N J. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere[J]. Nature, 2014, 506(7488): 307-315.鏈接 

  Stüeken E E, Kipp M A, Koehler M C, et al. The evolution of Earth's biogeochemical nitrogen cycle[J]. Earth-Science Reviews, 2016, 160: 220-239.鏈接 

  Yang J, Junium C K, Grassineau N V, et al. Ammonium availability in the Late Archaean nitrogen cycle[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 553-557.鏈接     

  (撰稿:陳妍/地星室)

 
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