王水炯：大氧化事件过程的Ni同位素示踪

发布时间：2019-08-16     作者：[科学研究院]    阅读：12次

　　地球目前年龄46亿年，恰好在其“中年时期”，约23亿年发生了大氧化事件，即大气圈从无氧到快速巨量富氧的转变，它是地球和生命演化历史过程中关键的转折点。

　　还原性气体甲烷浓度的下降是导致该大氧化事件的关键因素。早期地球大气中甲烷浓度是现今的约1000倍，任何由蓝细菌光合作用产生的游离分子氧会与甲烷发生反应而被快速消耗掉，从而阻止大气氧浓度的上升。只有甲烷浓度的灾难性下降，才能最终促成大气圈快速巨量充氧。甲烷又是一种温室气体，它的下降同时导致了地球第一次雪球地球事件。因此，大氧化事件过程中大气甲烷浓度的变化尤为关键：甲烷浓度过高，阻止了大气中氧气的出现和上升；甲烷浓度过低，地球则可能进入一个更加恶劣的冰期。

　　产甲烷菌在调控早期大气甲烷含量起关键作用。产甲烷菌代谢作用排放的生物成因甲烷是大气中甲烷的主要来源，而产甲烷菌的活跃程度严重依赖于海水中可被生物利用的Ni含量。通常认为，发生在24-27亿年之间的海洋镍灾难促使了产甲烷菌群的衰退，从而导致大气中甲烷浓度的下降，促成了氧气浓度的上升。伴随大氧化事件产生的硫化物风化则加剧了产甲烷菌群的衰退，因为它向海洋输送了硫酸根，促进了硫还原菌的生长，而硫还原菌在生态学上优于产甲烷菌。

　　我们通过研究全球不同时代冰碛岩的Ni同位素来考察大陆地壳硫化物有氧风化对产甲烷菌的影响。Ni有5个同位素（⁵⁸Ni、⁶⁰Ni、⁶¹Ni、⁶²Ni和⁶⁴Ni,），硫化物矿物与其他地壳岩石存在细微的Ni同位素组成差异。利用这一特点，我们通过比较大氧化事件前后发育的冰碛岩的Ni同位素组成差异首次研究发现，大氧化事件峰期大陆风化Ni通量主要来自于硫化物的有氧溶解，因此硫化物风化提供并维持了这一关键时期海洋中产甲烷菌所需的Ni营养元素，进而调控了甲烷的排放量。

　　据此我们提出硫化物风化对产甲烷菌扮演的“双刃剑”的角色：一方面硫化物风化提供的硫酸根无疑抑制了产甲烷菌的活动，迫使产甲烷古菌群逐渐由浅海向深海迁移；另一方面，硫化物风化提供了维持产甲烷菌活动所需的Ni。

　　我们的研究表明：Ni的生物地球化学的循环是联系大氧化事件前后地球各个圈层包括岩石、水圈、生物圈和大气圈协同演化的枢纽！

　　上述研究成果发表在地球科学国际顶尖刊物《Nature Geoscience》上：Wang, S.-J, Rudnick, R.L., Gasching R.M., Wang, H., and Wasylenki L.E., 2019. Methanogenesis sustained by sulfide weathering during the Great Oxidation Event. Nature Geoscience, https://doi.org/10.1038/s41561-019-0320-z [IF 2017/2018=14.391]