沉降的海洋微粒中微生物硫酸鹽還原和有機(jī)硫生成
氣候的變化推動(dòng)了海洋缺氧帶(oxygen-deficient zone，縮寫(xiě)ODZ)的擴(kuò)大，可能改變了全球碳、硫、氮和微量金屬元素的循環(huán)。當(dāng)前，對(duì)海洋缺氧是怎樣影響有機(jī)碳的循環(huán)和埋藏還并不十分清楚，特別是在機(jī)理上。東熱帶太平洋和阿拉伯海的缺氧帶約占海洋總量的0.35%，受人類(lèi)活動(dòng)造成氣候變化的影響，它還在迅速擴(kuò)大。缺氧帶(ODZ)溶解的O2含量在 ~1 μmol/L以下，可能大部分低于10nmol/L。沒(méi)有可利用的O2，動(dòng)物基本被排除在外，微生物必須依靠替代的電子受體，如硝酸鹽、三價(jià)鐵和硫酸鹽來(lái)呼吸有機(jī)質(zhì)(organicmatter, 縮寫(xiě)OM)。一般來(lái)講，只有電勢(shì)更高的電子受體，如周?chē)南跛猁}消耗已盡才會(huì)發(fā)生生成硫化物的微生物硫酸鹽還原 (microbial sulfate reduction，縮寫(xiě)MSR)。然而，地球化學(xué)和分子的證據(jù)都表明，盡管豐富硝酸鹽存在，在缺氧帶也會(huì)發(fā)生MSR。缺氧帶活躍的MSR可能從根本上改變了其他元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，因?yàn)樯傻娜魏瘟蚧锒伎赡苎杆俚嘏c金屬和有機(jī)質(zhì)反應(yīng)生成硫化物，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為硫化。
由于硫化的潛在影響，近年來(lái)人們投入了大量精力來(lái)尋找缺氧帶內(nèi)活躍的微生物硫循環(huán)證據(jù)。在東太平洋、華盛頓邊緣海和阿拉伯海的缺氧帶檢測(cè)到了硫循環(huán)的轉(zhuǎn)錄和基因序列，而在東北太平洋報(bào)導(dǎo)了鎘丟失，因形成CdS。在圣胡安群島大的海洋雪(marine snow)中檢測(cè)到硫化物，通過(guò)放射性標(biāo)記實(shí)驗(yàn)在智利離岸的缺氧帶水體中測(cè)到低速率的硫化生產(chǎn)。然而，還沒(méi)有人在微生物最可能代謝——大的沉降微粒檢測(cè)MSR速率，探討硫化物對(duì)沉積的OM組成有什么影響。Raven等人開(kāi)展了這方面的研究，通過(guò)了解海洋缺氧帶沉降中的微粒是否發(fā)生MSR和OM是否明顯硫化，來(lái)探討缺氧帶擴(kuò)大是怎樣影響海洋中碳和金屬的循環(huán)。
Raven等人在東熱帶北太平洋(the eastern tropical North Pacific，縮寫(xiě)ETNP)的缺氧帶開(kāi)展工作，包括濃縮沉降的微粒、加入放射性標(biāo)記的硫酸鹽一起培養(yǎng)和描述與任何生成硫化物有關(guān)反應(yīng)產(chǎn)物的特征。2018年4月和5月間，他們通過(guò)R/VRoger Revelle考察船部署一個(gè)直徑2米，50mm目的表面浮系微粒捕集器，4次采樣：1次在P2(17.0°N×107.0°W，距墨西哥海岸200km，~3500m水深)，沒(méi)有大微粒控制，微粒通量相對(duì)低；3次在P1 (20.3°N×106.1°W，距岸~50km，~1500m水深)，微粒通量相對(duì)高。收集的微粒是在深水次生亞硝酸鹽濃度最高的位置(P1處為120到143m水深，P2處為147 m水深)，那里硝酸鹽還原會(huì)最強(qiáng)，因此也應(yīng)是缺氧的OM循環(huán)速率最高的位置。將捕獲的微粒在無(wú)氧條件下轉(zhuǎn)移到血清瓶中，加入放射性標(biāo)記的硫酸鹽在黑暗中培養(yǎng)~24小時(shí)。然后，加入過(guò)量醋酸鋅中止微生物活動(dòng)。最后，分離出酸揮發(fā)的硫化物(AVS)(包括溶解的H2S和金屬單硫化物)，測(cè)定硫酸鹽、AVS和耐水解固相等放射性。
圖1. 微粒培養(yǎng)中生成AVS和有機(jī)硫的放射性標(biāo)記S積累。樣品被沿x軸任意排列，y軸為對(duì)數(shù)。樣品類(lèi)型中AC為嚴(yán)格的缺氧收集器上采樣，NW為凈洗回收的。陰影組是單個(gè)部署的范例。至x軸的誤差線表明結(jié)果與零沒(méi)有顯著差異。ND為沒(méi)有檢測(cè)到。
估計(jì)在培養(yǎng)過(guò)程中由MSR產(chǎn)生的大多數(shù)放射性標(biāo)記硫化物會(huì)重新氧化，或者與金屬或有機(jī)物反應(yīng)生成固體物質(zhì)。他們所測(cè)的AVS(圖1)可能主要來(lái)自單硫化鐵，而不是溶解的H2S。從處理方法看，在耐(酸)水解的殘留固相中放射性標(biāo)記的可能為元素S、有機(jī)S和/或黃鐵礦，但他們后續(xù)的檢測(cè)證明是有機(jī)S。P1的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(平均，n=8)表明，24小時(shí)內(nèi)累積171±10.8(2σ) nmol的AVS，或1711±100nmol的有機(jī)S；P2的實(shí)驗(yàn)只產(chǎn)生少量可見(jiàn)的團(tuán)聚物，而且沒(méi)有累積任何可分解的AVS(圖1)。生成的有機(jī)S對(duì)AVS比例是變化的，這可能與當(dāng)?shù)爻两滴⒘Ｖ谢钚澡F的含量有關(guān)。由此看來(lái)，傳統(tǒng)的直接測(cè)定沉積物獲得的有機(jī)硫含量也應(yīng)該反映有機(jī)硫是MSR生成硫化物的主要成分。
可以根據(jù)這組實(shí)驗(yàn)推測(cè)原位S循環(huán)的速率，但需要知道那里微粒沉降的速率。在ETNP近岸微粒沉降速率大致為2m/day到120m/day，大部分情況都是慢的，沉降速率近6.5m/day。根據(jù)微粒捕集器的大小和孔目、微粒沉降速率和實(shí)測(cè)產(chǎn)物24小時(shí)的積累量可以計(jì)算MSR速率。如果沉降速率為6.5m/day，體積校正后P1處MSR的最小速率是~14pmol/L·hr。而高生產(chǎn)力且缺O(jiān)2的智利邊緣海的MSR速率(≤360pmol/L·hr)是P1處的~26倍，那里海洋表面的葉綠素-a濃度也比P1處高~22倍，它們的葉綠素-a濃度分別為~16mg/L和~0.7mg/L。因此，Raven等人得到的東熱帶北太平洋(ETNP)沉降微粒承載的MSR速率，按生產(chǎn)力比例換算后是可以與先前的Canfield的MSR速率大致進(jìn)行對(duì)比。
如果每個(gè)硫酸鹽分子還原將使兩個(gè)有機(jī)碳原子氧化，高通量的P1瓶中每天平均至少產(chǎn)生0.68μmol硫化物，這相當(dāng)于每天有~1.4μmol有機(jī)C被呼吸掉。但瓶子中碳的確切質(zhì)量不清楚。如果每瓶5mg C或另一測(cè)定結(jié)果~20 mg C，假定快速下沉微粒的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率為每天12%，則得到總呼吸每天消耗的有機(jī)碳分別為50μmol C和200μmol C，其MSR的呼吸掉的占總有機(jī)碳量的2.8%和0.7%。這與Bianchi等人預(yù)測(cè)ETNP缺氧帶中有~1%有機(jī)碳被MSR呼吸消耗是一致的。
圖2. 經(jīng)過(guò)高溫酸處理后超細(xì)玻璃纖維過(guò)濾器上沉淀的微粒。顯示過(guò)濾器上所選掃描圖區(qū)域0、1和2(R0、R1和R2)還原S的空間分布(2473.0 eV)，顏色表示從低 (藍(lán)色) 到高(紅色)的相對(duì)吸收率。編號(hào)的白色圓圈顯示采集完整光譜的位置。所有比例尺均為100μm，一個(gè)像素點(diǎn)呈現(xiàn)~5μm2。
培養(yǎng)過(guò)程中沉降的聚集體為宏觀的(>1mm)，由與蓬松、近乎透明基質(zhì)結(jié)合的一些暗色微粒構(gòu)成。這些毛茸茸的基質(zhì)加酸水解后溶解，原位留下兩處離散的~100μm長(zhǎng)微粒物，以及更多擴(kuò)散的固體(圖2)?？伤獾幕|(zhì)中硫是相對(duì)氧化的，經(jīng)K-edge X射線吸收光譜(XAS)鑒定是以硫酸酯和某些磺酸鹽的形式出現(xiàn)(圖3)，這與硫酸多糖的存在一致。胞外聚合物中多糖豐富，硅藻和其他藻類(lèi)會(huì)分泌出這類(lèi)物質(zhì)，海洋雪的形成與其有關(guān)。多糖外聚合物很可能是沉降微粒中硫化物池，因?yàn)榱蚧锟梢詫⑺鼈冝D(zhuǎn)化為更耐水解的形式。
在離散、耐水解的微粒中的硫組分與水解的基質(zhì)中所含大量的氧化態(tài)有機(jī)硫形成了對(duì)照。這些耐水解的S主要以有機(jī)硫化物形式存在，含少量的芳烴、二硫化物和更氧化態(tài)的。在過(guò)濾器內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)元素S、黃鐵礦或硫酸鹽的背景，這表明船上培養(yǎng)的放射性標(biāo)記S產(chǎn)物主要是有機(jī)硫。掃描的R0和R2中離散的微粒主要與烷基硫化物一致(類(lèi)型1為75.4±5.9%，平均值±1σ)，而磺酸鹽、酯類(lèi)和二硫化物各自占百分之幾。相比之下，R1中和R2中大顆粒內(nèi)一個(gè)點(diǎn)(類(lèi)型2)彌散物質(zhì)更富集磺酸鹽、硫酸鹽酯和二硫化物，只含40.4%(±2.7%)的硫化物。
有機(jī)硫組分的空間差異可能反映了結(jié)合形成大的海洋微粒的OM來(lái)源和類(lèi)型的異質(zhì)性。有機(jī)硫化物來(lái)源包括在強(qiáng)酸水解和OM硫化反應(yīng)都幸存的蛋白質(zhì)中含硫的氨基酸。同樣，磺酸鹽和酯類(lèi)可能基本表現(xiàn)海洋表層生命體的生物硫，像可水解的外聚物，或者它們也可以在OM硫化反應(yīng)中與有機(jī)硫化物、二硫化物和芳烴一起產(chǎn)生。XAS的分析結(jié)果將之前的和現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)的有機(jī)S整合到一起，因此任何這些有機(jī)S組合都可能是船上培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)硫化產(chǎn)物的再現(xiàn)。但是，很清楚耐水解的OM可能是微粒承載的微生物硫酸鹽還原期間生成硫化物的池。
在沉降微粒中硫化涉及到有機(jī)分子交叉接合和重排，這被認(rèn)為是通過(guò)降低有機(jī)質(zhì)與外酶的相容性來(lái)增強(qiáng)OM的保存。硫化程度體現(xiàn)在OM的S:C摩爾比值上，范圍從新鮮的藻類(lèi)生物的典型≤1%到許多黑色頁(yè)巖的3%到5%。如果假設(shè)143m高通量收集器的每個(gè)瓶子中有原始5mg (20 mg) 的C (n=4) 在水解期間溶解，那么在一個(gè)~80到340μmol C的池中經(jīng)過(guò)24小時(shí)的培養(yǎng)將有平均值為0.83μmol的有機(jī)硫積累。這樣計(jì)算，不可能水解的OM的S:C摩爾比值每天增加~0.3%到1.1%，因?yàn)樗w沉降幾天之內(nèi)就生成強(qiáng)硫化的OM(S:C≥3mol %)。因此，至少在足夠還原和高微粒通量的情況下，沉降微粒好像是進(jìn)入到海洋沉積物的一個(gè)可行硫化OM的來(lái)源。大多數(shù)可水解、未硫化的生物體隨后在深埋之前，經(jīng)過(guò)微生物作用再礦化，剩下硫化組分。因此，微粒承載的硫化能夠?yàn)樵诤Ｑ笕毖鯉е滤^測(cè)到的沉積物中高OM埋藏提供解釋?zhuān)@缺氧帶不是在沉積物-水界面之下。
在現(xiàn)在缺氧帶(ODZ)的沉降微粒中所觀測(cè)到的有機(jī)S組分也與已經(jīng)發(fā)表大洋缺氧事件沉積的黑色頁(yè)巖中古干酪根中的非常相似 (圖3)。事件期間古北大西洋南部大部分地區(qū)都是硫化的，保存了特別富S的OM，這可能是沉降微?？焖倭蚧慕Y(jié)果。這些頁(yè)巖中耐水解的有機(jī)S與現(xiàn)代缺氧帶沉降微粒中的一樣，主要由有機(jī)硫化物構(gòu)成，其中二硫化物、芳烴和磺酸鹽各自為~10%。兩者的相似性可以解釋為，現(xiàn)代缺氧帶微粒中OM硫化的同樣反應(yīng)也在地球歷史上更貧O2時(shí)期起到促進(jìn)和提升OM的埋藏。因此，微粒承載的OM硫化是在缺氧條件下增強(qiáng)OM在沉積物保存的潛在機(jī)制。
圖3. 東熱帶北太平洋(ETNP)沉降的微粒和白堊紀(jì)大洋缺氧事件2期間沉積的黑色頁(yè)巖中的硫組分。用SIXPACK上線性去卷積擬合，色條寬表示不同硫組分的相對(duì)豐度。只顯示高質(zhì)量點(diǎn)的擬合 (X2 <2)。酸化前的黑色頁(yè)巖和微粒的色條圖形代表所有可用數(shù)據(jù)的平均值。R0、R1和R2上測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。
現(xiàn)代缺氧帶(ODZ)微粒承載的MSR和OM硫化的速率看來(lái)在時(shí)間上和空間上都是高度可變的，因此用它們來(lái)推算全球規(guī)模的有機(jī)碳埋藏還為時(shí)過(guò)早。然而，機(jī)理上看我們能夠預(yù)測(cè)，海洋缺氧帶(ODZ)的擴(kuò)大會(huì)擴(kuò)展沉降微粒為載體的OM硫化的規(guī)模。這將表現(xiàn)為氣候和大氣CO2的負(fù)反饋：提高CO2導(dǎo)致海洋缺氧帶(ODZ)擴(kuò)張，進(jìn)而推動(dòng)以O(shè)M形式沉積來(lái)增加CO2封存。采用現(xiàn)在的取樣方法，開(kāi)展更多研究，我們將可能量化全球海洋沉降微粒承載的MSR和OM硫化的規(guī)模，探討它們對(duì)環(huán)境和氣候的影響。
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