新聞動(dòng)態(tài)廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心在黏土礦物-藍(lán)藻相互作用及其環(huán)境效應(yīng)研究中取得新認(rèn)識
自元古宙以來，黏土礦物已成為海洋沉積物的重要組成部分，廣泛參與諸多生物地球化學(xué)過程。大量研究表明，黏土礦物可能對某些沉積體系中生物軟組織的保存乃至有機(jī)化石的形成具有重要作用。近年來的一些研究顯示，富黏土的泥巖中的化石形成與黏土礦物密切相關(guān)，主要集中在標(biāo)志性的伯吉斯頁巖（Burgess Shale Formation），許多保存BST化石的寒武紀(jì)泥巖及其化石中，都含有豐富的黏土礦物（Anderson等，Geology，2018）。
自生黏土礦物被廣泛認(rèn)為可能有助于保存古海洋中的微生物遺體。例如，在前寒武紀(jì)海洋中，隨著二氧化硅和金屬（如鐵和鋁離子）濃度升高，微生物細(xì)胞可充當(dāng)模板，誘導(dǎo)濃縮鐵離子等金屬離子形成金屬氧化物，其與溶解硅進(jìn)一步反應(yīng)便產(chǎn)生自生黏土礦物。這些自生礦物覆蓋于細(xì)胞表面，有助于其保存。而與自生黏土礦物相比，碎屑黏土礦物對于早期地球有機(jī)質(zhì)保存的潛在作用受到較少關(guān)注。而實(shí)際上，近期基于化石記錄的觀察顯示，碎屑黏土礦物在生物軟組織保存中可能起著重要作用。例如，Anderson等（Interface Focus, 2020）采用同步輻射顯微紅外光譜等方法，證實(shí)了元古代微生物化石的形成與高嶺石礦物顆粒有關(guān)。因此，水體中懸浮碎屑黏土顆粒對微生物細(xì)胞保存及其化石的形成具有潛在的重要作用，并進(jìn)而對生物地球化學(xué)、元素循環(huán)和歸趨產(chǎn)生重要影響，探明該過程中黏土礦物與微生物之間的界面作用機(jī)制對于理解上述地球化學(xué)和環(huán)境地質(zhì)過程具有重要意義。
針對該問題，中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉紅昌、袁鵬、劉冬等研究人員以蒙脫石、伊利石和高嶺石為模型黏土礦物，以藍(lán)藻（藍(lán)細(xì)菌）為模型浮游微生物，模擬了藍(lán)藻與黏土礦物的界面作用及其對藍(lán)藻聚集和保存的影響；并探索了環(huán)境中溶解Si（Na2SiO3）、Al（NaAlO2和AlCl3）和Fe（FeCl3）的濃度對含懸浮黏土礦物海水中藍(lán)藻聚集沉降的影響機(jī)制。
該研究發(fā)現(xiàn)：（1）海洋環(huán)境中懸浮碎屑黏土顆粒對絲狀藍(lán)藻和黏土之間共團(tuán)聚體的形成及其隨后的沉積保存起著關(guān)鍵作用。黏土礦物顆粒和藍(lán)藻的表面性質(zhì)，特別是藍(lán)藻和黏土礦物荷電表面間的靜電吸引，是藍(lán)藻-黏土共聚的主要驅(qū)動(dòng)力；（2）藍(lán)藻分泌的活性有機(jī)物質(zhì)中-COOH基團(tuán)的脫質(zhì)子化和H+的釋放，導(dǎo)致了黏土礦物顆粒的局部溶解乃至其結(jié)構(gòu)無序化；（3）與懸浮黏土相比，溶解離子（硅、鋁或鐵）雖然對藍(lán)藻-黏土共聚體的形成有促進(jìn)作用，但較黏土顆粒對共團(tuán)聚起到的作用次要。該研究從微觀層次證明了黏土礦物顆粒對藍(lán)藻的聚集和沉降保存具有重要影響，發(fā)現(xiàn)了海洋環(huán)境中黏土礦物在藍(lán)藻作用下的微生物溶解現(xiàn)象，為理解所涉海洋沉積體系中有機(jī)質(zhì)的保存和硅等元素的地球化學(xué)循環(huán)等過程提供了新的依據(jù)。
圖1 藍(lán)藻在不同濃度（0、0.1、1.0、10、20 mg/L）的含懸浮蒙脫石海水中培養(yǎng)時(shí)其葉綠素a含量的變化曲線
圖2 藍(lán)藻在含10 mg/L蒙脫石海水中培養(yǎng)第3天時(shí)所形成的團(tuán)聚體的TEM圖（a）；SAED分析（b）；及元素分布（b, c）
圖3 藍(lán)藻-黏土礦物顆粒共聚體形成的機(jī)制示意圖
（a）所示為含懸浮黏土的海水中培養(yǎng)的藍(lán)藻（示意圖）（b）為藍(lán)藻-黏土共聚體的形成機(jī)制示意圖；其中，左邊的放大圖顯示的是黏附于藍(lán)藻表面及藍(lán)藻細(xì)胞間接觸區(qū)的黏土顆粒，右邊的放大圖顯示的是填充于藍(lán)藻空隙中的黏土團(tuán)聚體，中間的放大圖為藍(lán)藻表面活性基團(tuán)與黏土礦物的界面作用（以蒙脫石為例）
研究論文發(fā)表于地學(xué)主流期刊Chemical Geology，論文第一作者為劉紅昌博士，通訊作者為袁鵬研究員。該工作獲得國家高層次人才特殊支持計(jì)劃領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文信息：Hongchang Liu, Peng Yuan, Dong Liu, Weiwei Zhang, Qian Tian, Hongling Bu, Yanfu Wei, Jinlan Xia, Yinchu Wang, Junming Zhou. Insight into cyanobacterial preservation in shallow marine environments from experimental simulation of cyanobacteria-clay co-aggregation. Chemical Geology. 2021(577)120285.
論文全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120285
(中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿)
