Блог

Jun 01, 2023

Уникально низкие характеристики стабильных изотопов железа в глубоководных морских отложениях, вызванные дистилляцией Рэлея.

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 10281 (2023) Цитировать эту статью 467 Доступы Показатели Подробности Предполагается, что диссимиляционная редукция железа (DIR) является одной из самых ранних форм микробного

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 10281 (2023) Цитировать эту статью

467 Доступов

Подробности о метриках

Диссимиляционная редукция железа (DIR) считается одной из самых ранних форм микробного дыхания. Он играет важную роль в биогеохимическом круговороте железа в современных и древних отложениях. Поскольку микробный круговорот железа обычно сопровождается фракционированием изотопов железа, стабильные изотопы железа используются в качестве индикаторов биологической активности. Здесь мы представляем данные по изотопам железа для растворенных и последовательно извлеченных осадочных залежей железа из глубоких и горячих донных отложений, извлеченных в Нанкайском желобе у берегов Японии. Растворенное железо (Fe(II)aq) изотопно легкое во всем интервале железистых отложений, но некоторые образцы имеют исключительно легкие значения изотопов. Такие значения освещенности никогда не наблюдались в естественной морской среде и не могут быть приписаны исключительно DIR. Мы показываем, что значения легких изотопов лучше всего объясняются моделью дистилляции Рэлея, в которой Fe(II)aq непрерывно удаляется из поровой воды путем адсорбции на поверхности (оксигидрид)оксида железа. Хотя микробно-опосредованное высвобождение Fe(II)aq прекратилось из-за повышения температуры за пределы порога мезофильных микроорганизмов, абиотическое адсорбционное удаление Fe(II)aq продолжалось, что приводило к уникальным значениям легких изотопов. Эти результаты имеют важное значение для интерпретации данных о растворенных изотопах железа, особенно в глубоких подводных отложениях.

Железо (Fe), один из наиболее распространенных элементов на Земле, представляет собой окислительно-восстановительный элемент, который в основном встречается в виде двухвалентного (II) и трехвалентного (III) Fe. Микроорганизмы приобретают энергию путем восстановления или окисления Fe между состояниями редокс/окисления Fe(II) и Fe(III)1. Эти реакции тесно связаны с циклами элементов углерода и серы, что является важной движущей силой глобальных биогеохимических циклов. Диссимиляционное восстановление Fe(III) (DIR) является одним из самых ранних микробных метаболических путей на Земле, а восстанавливающие Fe(III) микроорганизмы могут быть ключевыми обитателями глубокой и горячей биосферы2,3. Под глубинной биосферой здесь понимаются морские отложения, находящиеся на глубине более 5 м ниже морского дна (mbsf), и они простираются на глубину от нескольких сотен до тысяч метров до морского дна4.

Анализ стабильных изотопов железа широко применяется для отслеживания и расшифровки источников железа, путей его переноса и реакций в морской среде5,6,7,8,9,10. Соотношение двух наиболее распространенных изотопов Fe (54Fe и 56Fe), обычно выражаемое как δ56Fe (‰), может дать ценную информацию о биогеохимическом круговороте железа и может использоваться в качестве показателя микробно-опосредованных процессов в современных и древних морских отложениях11. 12,13. Заметное фракционирование изотопов Fe происходит во время окислительно-восстановительных процессов14,15,16. Наиболее выраженное фракционирование до -3‰ по сравнению со средним изотопным составом магматических пород (δ56Fe = 0,09 ± 0,05‰, 1SD, ссылка 17) обусловлено связанным обменом электронами и атомами Fe между Fe(II) и Fe. (III) на поверхностях оксида железа во время DIR15,16. Поскольку микробы преимущественно потребляют 54Fe, а не 56Fe, соответствующий растворенный Fe (Fe(II)aq) является изотопно легким, тогда как остаточный Fe(III) постепенно обогащается изотопно тяжелым 56Fe5,16,18. Изотопы железа также фракционируются в ходе абиотических процессов, включая адсорбцию Fe(II)водн. равновесие)14,20,21,22. Хотя несколько исследований были сосредоточены на фракционировании изотопов Fe во время раннего диагенеза в неглубоких (< 5 mbsf) отложениях6,18,23, до сих пор не существует изотопных записей для растворенного Fe в глубоких подводных отложениях (>5 mbsf).

Здесь мы исследуем образцы поровой воды и твердой фазы, которые были собраны во время экспедиции 370 Международной программы открытия океана (IODP) из скважины глубиной 1180 м (Участок C0023), пробуренной в Нанкайском желобе у мыса Мурото, Япония. Для Зоны C0023 характерны температура до 120 °C на границе раздела отложений и фундамента и высокий тепловой поток (ссылка 24). Целью экспедиции было изучение температурного предела микробной жизни и выявление геохимических и микробных признаков, которые различают биотическое и абиотическое царство25. Растворенное железо обнаруживалось преимущественно в интервале, характеризующемся повышенным количеством слоев вулканического пепла (рис. 1а)25, что позволяет предположить, что вулканический пепел обеспечивает восстанавливаемые минералы, которые стимулируют микробное восстановление железа и высвобождение Fe(II)водн. Чтобы оценить роль слоев пепла и доступность фаз Fe для биогеохимических процессов в глубокой и горячей биосфере, мы провели последовательную экстракцию активных фаз Fe из дискретного вулканического пепла и окружающих образцов глиняных пород18,26. Поскольку отложения на участке C0023 уже консолидированы25, в дальнейшем мы будем использовать термин «глиняная порода». Еще одной целью было выяснить, является ли изотопный состав растворенного и реакционноспособного твердофазного железа показателем микробного восстановления железа путем объединения анализов δ56Fe поровой воды и экстрагированного железа. Мы предположили, что отрицательные значения δ56Fe в поровой воде будут сильным аргументом в пользу процессов, обусловленных микробами. Однако мы обнаружили чрезвычайно низкие значения δ56Fe в поровой воде, которые вряд ли могут быть вызваны только микробным восстановлением Fe. В качестве наиболее вероятного объяснения этого открытия мы представляем модель дистилляции Рэлея, которая включает адсорбцию Fe(II)водн. на поверхности (оксигидр)оксида Fe.