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| 中國海洋大學在Nature Communications 發(fā)表關(guān)于新元古代雪球地球時期金屬驅(qū)動甲烷厭氧氧化研究的最新進展 |
| http://m.szphoebest.com 2025年8月22日 來源：華禹教育網(wǎng) |
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8月6日，中國海洋大學海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室李三忠教授團隊聯(lián)合中國地質(zhì)大學（北京）、中國地質(zhì)大學（武漢）、加拿大阿爾伯塔大學、德國漢堡大學、美國堪薩斯州立大學等國內(nèi)外學者，在新元古代雪球地球時期金屬驅(qū)動的甲烷厭氧氧化（AOM）過程及古環(huán)境效應(yīng)研究方面取得重要進展。研究成果以“Metal-driven anaerobic oxidation of methane and the Sturtian deglaciation”（金屬驅(qū)動的甲烷厭氧氧化與斯圖特冰期消融） 為題，在國際知名學術(shù)期刊Nature Communications《自然-通訊》發(fā)表。
“雪球地球”假說認為，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化增強與營養(yǎng)鹽輸入，推動海洋初級生產(chǎn)力恢復(fù)，為復(fù)雜多細胞真核生物的大輻射奠定了重要基礎(chǔ)。長期以來，該極端氣候轉(zhuǎn)變被普遍歸因于大氣CO2濃度的長期積累。但近年來，CH4作為強效溫室氣體（全球變暖潛力超過CO2的27倍），被認為在Marinoan冰消過程中扮演“催化劑”角色。
相比之下，Sturtian冰期具有獨特性。作為雪球地球時期首個全球冰封事件，其持續(xù)時間長達約57個百萬年。該時期典型海相化學沉積巖——鐵建造（IFs）為揭示Sturtian冰期的海洋地球化學演化及其冰期動態(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象，聚焦Sturtian冰消期甲烷循環(huán)過程及其與冰期動態(tài)演化和海洋生物地球化學循環(huán)之間的耦合機制。
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，對覆蓋斜坡至深水盆地相的五個典型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)與多指標地球化學研究，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)以有機碳為電子供體的異化鐵還原（DIR）與錳還原（DMR）過程解釋。研究團隊據(jù)此提出了與CH4相關(guān)的金屬驅(qū)動厭氧甲烷氧化（Metal-driven AOM）機制。該過程中，產(chǎn)甲烷菌與ANME（厭氧甲烷氧化古菌）利用Ni、Co、Zn等金屬元素進行酶促代謝，并以Fe(OH)3和MnO2為電子受體，驅(qū)動CH4氧化與金屬氧化物還原，從而促進Fe3+和Mn4+向Fe2+和Mn2+的轉(zhuǎn)化，進而與Fe(OH)3反應(yīng)生成磁鐵礦（圖5）。微生物代謝過程中釋放的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）。這些過程共同揭示了Sturtian冰消期古海洋中一個由多樣微生物主導(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。這一觀點建立在兩個核心判斷之上：
（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0.0006）及全球負δ13C偏移質(zhì)量平衡模型，均暗示了該時期顯著的CH4生成與釋放；
�。�2）相較于硫酸鹽驅(qū)動的AOM，金屬驅(qū)動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。
此外，冰蓋退縮促進了大氣與海洋間的O2交換與大陸風化產(chǎn)物（如PO43-、SO42-）進入海洋，進一步增強了初級生產(chǎn)力與O2釋放，可能推動了光合作用及生命演化（圖5）。
總結(jié)來看，本研究揭示了金屬驅(qū)動的AOM與產(chǎn)CH4過程在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，研究強調(diào)了CH4相關(guān)的生物地球化學過程在極端氣候轉(zhuǎn)變、古環(huán)境演化及早期生命演化中的重要性。
該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費及泰山學者計劃等項目資助。論文第一作者為中國海洋大學胡軍副教授，李三忠教授和中國地質(zhì)大學（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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