活性鐵(FeR)是海洋表層沉積物中有機(jī)碳(OC)的重要匯，約20%的有機(jī)碳(TOC)以活性鐵結(jié)合OC(FeR-OC)的形式保存。然而，海底沉積物中FeR-OC的命運(yùn)及其對(duì)微生物的可利用性仍未確定。

2024年7月29日，上海交通大學(xué)王風(fēng)平團(tuán)隊(duì)在Nature Communications在線發(fā)表題為“Cycling and persistence of iron-bound organic carbon in subseafloor sediments”的研究論文，該研究重建了南海北部?jī)蓚€(gè)沉積物巖心的連續(xù)FeR-OC記錄，F(xiàn)eR-OC庫(kù)可能支持海底微生物，并有助于調(diào)節(jié)地球的碳循環(huán)。

研究重建了南海北部?jī)蓚€(gè)沉積物巖心的連續(xù)FeR-OC記錄，包括亞氧-甲烷生物地球化學(xué)帶，最大年齡為~100 kyr。下巖心FeR-OC對(duì)TOC的貢獻(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，為13.3±3.2%。然而，在硫酸鹽-甲烷過渡帶(SMTZ)中，TOC的值明顯低于5%，并伴隨著FeR-OC的顯著13C損耗。FeR-OC通過微生物介導(dǎo)的還原性溶解被再活化，然后再礦化，其通量為SMTZ甲烷消耗量的18-30%。微生物活躍的第四紀(jì)海洋沉積物中全球FeR-OC儲(chǔ)量可能是大氣碳庫(kù)大小的19-46倍。

在地質(zhì)時(shí)間尺度上，沉積有機(jī)碳(OC)埋藏速率對(duì)大氣中O2和CO2的濃度起著重要的控制作用，從而對(duì)地球環(huán)境條件產(chǎn)生重大影響?；钚澡F(FeR，定義為可以被二亞硫酸鈉還原溶解的鐵(氧合)氧化物)可以在廣泛的陸地和海洋環(huán)境中促進(jìn)OC的保存，因?yàn)殚L(zhǎng)期以來人們認(rèn)為活性鐵結(jié)合OC(FeR-OC)在好氧條件下更不易被微生物降解。據(jù)估計(jì)，海洋表層沉積物中~20.2±15.5%的總OC(TOC)直接與Fe結(jié)合，相當(dāng)于全球7-54 Pg的OC(約占大氣CO2量的1-6%)，表明其在保存沉積OC方面具有潛在的重要作用。在地質(zhì)時(shí)間尺度上，鐵-碳含量的變化仍缺乏全面的認(rèn)識(shí)，但對(duì)更新世和古新世晚期至始新世早期沉積物的研究表明，鐵-碳含量在TOC中的比例(fFeR-OC)保持相對(duì)穩(wěn)定。然而，F(xiàn)eR-OC儲(chǔ)層與沉積生物地球化學(xué)過程的相互作用程度，特別是涉及鐵和硫氧化還原反應(yīng)的生物地球化學(xué)過程，仍未得到解決。

長(zhǎng)期以來，人們也發(fā)現(xiàn)氟化鐵能夠促進(jìn)陸地土壤中有機(jī)物的保存，特別是通過吸附的方式。然而，近年來的研究表明，地下水位波動(dòng)過程中的氧化還原振蕩對(duì)土壤中有機(jī)碳和土壤中有機(jī)碳的相互作用有很大的影響。在缺氧條件下，F(xiàn)e還原釋放FeR-OC，增加土壤有機(jī)質(zhì)的厭氧再礦化。而在氧化條件下，新形成的FeR促進(jìn)了OC在礦物表面的保留。在缺氧海洋沉積物中，F(xiàn)e是一種積極參與生物地球化學(xué)過程的電子受體。微生物對(duì)Fe的還原和硫酸鹽還原過程中產(chǎn)生的生物硫化物都可能削弱與OC的關(guān)聯(lián)。

南海北部巖心分布圖及其生物地球化學(xué)分區(qū)（圖源自Nature Communications）

事實(shí)上，最近的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)表明，F(xiàn)eR-OC可以在微生物鐵還原過程中被重新激活，隨后被用作微生物群落的電子供體或碳源。因此，早期成巖作用中FeR-OC的再活化可能會(huì)影響沉積物中長(zhǎng)期保存的FeR-OC儲(chǔ)層的相對(duì)大小。此外，預(yù)計(jì)FeR-OC的供應(yīng)將取決于水文條件，因?yàn)樗臈l件對(duì)大陸風(fēng)化和Fe形成的影響，以及通過影響陸架地形從而影響大陸碎屑向深海的輸送而對(duì)海平面的影響；這兩個(gè)因子預(yù)計(jì)在冰期-間冰期時(shí)間尺度上周期性變化。為解開沉積物FeR-OC供給和早期成巖改造對(duì)沉積FeR-OC的影響，需要建立下巖心FeR-OC記錄，并與地球化學(xué)分帶和沉積年代學(xué)相聯(lián)系。

研究對(duì)南海北部?jī)蓚€(gè)重力巖心進(jìn)行了定量和同位素分析，以確定沉積FeR-OC的去向。QDN-G1為典型的陸坡沉積(1478 m水深)，而QDN-14B(1370 m水深)位于QDN-G1西南約35 km處，受附近冷滲漏排出的富甲烷流體影響。因此，QDN-14B可用于比較評(píng)價(jià)在發(fā)生硫酸鹽還原耦合有機(jī)質(zhì)再礦化或甲烷氧化的成巖活動(dòng)區(qū)，微生物活動(dòng)對(duì)FeR-OC潛在再活化的影響。同時(shí)，利用微生物活性相對(duì)較低的沉積物組成的QDN-G1巖心，建立了覆蓋過去97 kyr的年齡模型，探索冰期-間冰期時(shí)間尺度上FeR-OC的長(zhǎng)期保存情況。

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