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| 中國(guó)海洋大學(xué)在Nature Communications 發(fā)表關(guān)于新元古代雪球地球時(shí)期金屬驅(qū)動(dòng)甲烷厭氧氧化研究的最新進(jìn)展 |
| http://www.ixiaoyuer.com 2025年8月22日 來(lái)源：華禹教育網(wǎng) |
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8月6日，中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李三忠教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）、加拿大阿爾伯塔大學(xué)、德國(guó)漢堡大學(xué)、美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)等國(guó)內(nèi)外學(xué)者，在新元古代雪球地球時(shí)期金屬驅(qū)動(dòng)的甲烷厭氧氧化（AOM）過(guò)程及古環(huán)境效應(yīng)研究方面取得重要進(jìn)展。研究成果以“Metal-driven anaerobic oxidation of methane and the Sturtian deglaciation”（金屬驅(qū)動(dòng)的甲烷厭氧氧化與斯圖特冰期消融） 為題，在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications《自然-通訊》發(fā)表。
“雪球地球”假說(shuō)認(rèn)為，在新元古代，地球曾經(jīng)歷兩次全球性冰封事件——Sturtian（約717–660 Ma）和Marinoan（約650–635 Ma）冰期，是地球歷史上最極端的氣候事件之一，深刻影響了古環(huán)境與生命系統(tǒng)的演化。尤其是在冰期消融階段，冰蓋退縮促使大陸風(fēng)化增強(qiáng)與營(yíng)養(yǎng)鹽輸入，推動(dòng)海洋初級(jí)生產(chǎn)力恢復(fù)，為復(fù)雜多細(xì)胞真核生物的大輻射奠定了重要基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來(lái)，該極端氣候轉(zhuǎn)變被普遍歸因于大氣CO2濃度的長(zhǎng)期積累。但近年來(lái)，CH4作為強(qiáng)效溫室氣體（全球變暖潛力超過(guò)CO2的27倍），被認(rèn)為在Marinoan冰消過(guò)程中扮演“催化劑”角色。
相比之下，Sturtian冰期具有獨(dú)特性。作為雪球地球時(shí)期首個(gè)全球冰封事件，其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)約57個(gè)百萬(wàn)年。該時(shí)期典型海相化學(xué)沉積巖——鐵建造（IFs）為揭示Sturtian冰期的海洋地球化學(xué)演化及其冰期動(dòng)態(tài)提供了關(guān)鍵研究窗口。據(jù)此，本研究以鐵建造為主要對(duì)象，聚焦Sturtian冰消期甲烷循環(huán)過(guò)程及其與冰期動(dòng)態(tài)演化和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)之間的耦合機(jī)制。
本研究選取保存全球完整雪球地球沉積記錄的南華盆地為調(diào)查區(qū)域，對(duì)覆蓋斜坡至深水盆地相的五個(gè)典型Sturtian冰消期IFs（三江、通道、江口、祁東、新余）（圖1），開展了系統(tǒng)的地質(zhì)與多指標(biāo)地球化學(xué)研究，其中元素和同位素分析包括共生赤鐵礦和磁鐵礦生命必需金屬及稀土元素的含量與分布、鐵和鎳非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素組成、碳酸鹽的全巖與原位碳同位素組成等（圖2、3和4）。
圖1 華南板塊Sturtian 冰消期IFs的古地理背景與區(qū)域地層對(duì)比圖
圖2 華南板塊Sturtian 冰消期IFs中共生赤鐵礦和磁鐵礦鐵（δ56Fe）和鎳（δ60Ni）同位素特征
圖3 華南板塊Sturtian 冰消期IFs中磁鐵礦的鎳同位素（δ60Ni）、金屬元素及稀土元素與釔（REY）之間的相關(guān)性
圖4 華南板塊Sturtian 冰消期IFs中共生赤鐵礦和磁鐵礦金屬元素、稀土元素與釔（REY）及同位素組成的分布特征與礦物特異性差異
上述數(shù)據(jù)特征難以用傳統(tǒng)以有機(jī)碳為電子供體的異化鐵還原（DIR）與錳還原（DMR）過(guò)程解釋。研究團(tuán)隊(duì)據(jù)此提出了與CH4相關(guān)的金屬驅(qū)動(dòng)厭氧甲烷氧化（Metal-driven AOM）機(jī)制。該過(guò)程中，產(chǎn)甲烷菌與ANME（厭氧甲烷氧化古菌）利用Ni、Co、Zn等金屬元素進(jìn)行酶促代謝，并以Fe(OH)3和MnO2為電子受體，驅(qū)動(dòng)CH4氧化與金屬氧化物還原，從而促進(jìn)Fe3+和Mn4+向Fe2+和Mn2+的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而與Fe(OH)3反應(yīng)生成磁鐵礦（圖5）。微生物代謝過(guò)程中釋放的HCO3-與海水中HCO3-混合，再與Ca、Mg、Fe、Mn等離子結(jié)合，形成富Mn、貧13C的自生碳酸鹽礦物（圖5）。這些過(guò)程共同揭示了Sturtian冰消期古海洋中一個(gè)由多樣微生物主導(dǎo)的“甲烷—金屬—礦物”相互作用網(wǎng)絡(luò)。
圖5 華南板塊Sturtian 冰消期生物地球化學(xué)循環(huán)概念示意圖
研究還指出，Sturtian冰消期間CH4的大量釋放可能在冰蓋消融及維持冰消階段方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這一觀點(diǎn)建立在兩個(gè)核心判斷之上：
�。�1）雖然缺乏直接的CH4通量數(shù)據(jù)，但磁鐵礦中Ni/Fe摩爾比值升高（最大達(dá)0.0006）及全球負(fù)δ13C偏移質(zhì)量平衡模型，均暗示了該時(shí)期顯著的CH4生成與釋放；
（2）相較于硫酸鹽驅(qū)動(dòng)的AOM，金屬驅(qū)動(dòng)AOM的氧化效率更低，因此更可能允許大量CH4逃逸入大氣。南華盆地IFs中赤鐵礦與磁鐵礦普遍共存現(xiàn)象亦支持了該推測(cè)。
此外，冰蓋退縮促進(jìn)了大氣與海洋間的O2交換與大陸風(fēng)化產(chǎn)物（如PO43-、SO42-）進(jìn)入海洋，進(jìn)一步增強(qiáng)了初級(jí)生產(chǎn)力與O2釋放，可能推動(dòng)了光合作用及生命演化（圖5）。
總結(jié)來(lái)看，本研究揭示了金屬驅(qū)動(dòng)的AOM與產(chǎn)CH4過(guò)程在Sturtian冰消期“微生物—金屬—礦物”耦合中的重要作用，為前寒武紀(jì)IFs中磁鐵礦及富Mn碳酸鹽礦物的成因提供了新的解釋路徑。同時(shí)，研究強(qiáng)調(diào)了CH4相關(guān)的生物地球化學(xué)過(guò)程在極端氣候轉(zhuǎn)變、古環(huán)境演化及早期生命演化中的重要性。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)及泰山學(xué)者計(jì)劃等項(xiàng)目資助。論文第一作者為中國(guó)海洋大學(xué)胡軍副教授，李三忠教授和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）王水炯教授為共同通訊作者。合作作者包括Jörn Peckmann教授、管紅香教授、蔣少涌教授、陳唯教授、崔歡教授、秦政博士、劉鵬副教授、索艷慧教授、姜兆霞教授、李東永工程師、王楠高級(jí)工程師、李曉輝副教授、鐘源副教授、李茹茹、楊錫明博士和Kurt O. Konhauser教授。
通訊員：胡軍
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62622-z
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