鐵在沉積物有機質保存和循環中的作用

鐵在沉積物有機質保存和循環中的作用

Karine Lalonde，Alfonso Mucci，Alexandre Ouellet and Yves Ge’linas.Preservation of organic matter in sediments promoted by iron.Nature，2012，438:198－200

徐祖新，編譯.朱建東，校.

早在40多年前有報道曾指出，在海洋沉積物有機質與鐵的相互作用中，鐵與有機碳濃度變化的一致性。但由于鐵和有機碳通常都吸附于黏土礦物表面，這種相互作用被簡單地描述為:表面面積大、吸附能力強的細粒物質表面，鐵和有機質含量會相應增加。但尚不明確的是，這種關聯是源于他們對固體表面強大的親和力，還是反映了鐵對有機碳的保存的促進作用?鐵有利于有機質的保存，在實驗研究中得到了驗證。同時，研究還表明，鐵對土壤中有機碳的保存也有利，但這種保存機制尚未在土壤沉積物中得到證實。

Karine Lalonde等利用檸檬酸—連二亞硫酸鐵還原方法，對不同沉積環境(淡水、黑海、大陸架、深海、三角洲等)中的沉積物樣品進行了測試。該方法利用碳酸氫鈉以保證實驗環境的pH值為中性，這可以有效地防止有機質水解及再次吸附在沉積物顆粒上，這種現象在酸性條件下經常出現。在這種控制條件下釋放出的有機碳與鐵無關，因此與鐵伴生的有機碳量應該由連二亞硫酸提取出的有機碳量減去該實驗下得到的有機碳含量所求得。

結果表明，鐵與有機碳強的關聯度抑制了有機碳的微生物降解，從而利于有機碳的保存。測試結果同時證實了有機OC—Fe大分子結構的存在，其在鐵還原過程中溶解并從沉積物中排出。鐵或鐵的氧化物對于有機大分子結構的形成起到了關鍵作用，通過強的共價鍵將他們固結在黏土顆粒上。

計算結果表明，有機質吸附于活性鐵氧化物的表面，造成了高的MOC∶MFe(有機碳與鐵的摩爾比)。有機復合物與鐵的共沉淀或螯合作用，產生低密度的富有機結構，MOC∶MFe在6～10之間。有機金屬結構在缺氧條件下特別穩定，如在黑海及還原性的海底，MOC∶MFe高達7～32。而在氧化環境中，有機結構進一步降解，MOC∶MFe減小，如典型的陸架邊緣沉積物中。隨著氧化條件的加強及暴露于氧化環境時間的加長，MOC∶MFe不斷降低。

此外，他們還分析了大塊有機質及與鐵伴生的有機碳碎片同位素及元素組成。多數情況下，與鐵伴生的有機碳富含13C，13C增長(1.7‰±2.8‰)。不穩定的有機復合物與鐵的優先結合可以解釋為什么活性有機復合物可以在沉積物中保存，而那些活性差的則被降解。

該發現對于理解沉積物中有機質循環有著深遠的意義。首先，前面描述的有機碳保存機制，優先抑制富含13C和N的有機復合物微生物降解，可以幫助解釋困擾了有機地球化學家幾十年的難題:與沉積物中陸源有機質相比，有機復合物有著更強的海相同位素和元素特征。數據同時表明，傳統的吸附加固機制，即黏土顆粒利于有機質直接吸附在黏土表面，但無法準確地解釋沉積物中所有有機復合物加固模式。有機大分子OC—Fe結構的直接螯合作用或共沉淀作用對于有機碳與鐵結合起到了重要作用，進一步的解釋還需要更多的工作。最終研究結果表明，埋藏于表層海洋沉積物有機碳的(21.5% ±8.6%)，或者全球約(19～45)×1015g有機碳由于與活性鐵伴生而保存下來。活性鐵是有機碳長期保存的關鍵因素，因此對于碳、氧和硫的全球循環有著重要作用。