中國科學院廣州地球化學研究所的博士后仇一凡，在趙太平研究員和香港大學李一良副教授的指導下，研究發(fā)現(xiàn)鐵細菌可能在17億年前繁盛。相關(guān)研究近日發(fā)表于Geophysical Research Letters。

　　鐵元素作為一種氧化還原敏感元素及重要的電子供體，能以多種形式在巖石圈、水圈、大氣和生物圈中循環(huán)，記錄了水圈、大氣圈和生物圈的演化過程，成為地質(zhì)歷史時期地球表層環(huán)境氧化還原狀態(tài)、生命演化過程的重要的信息載體。此外，F(xiàn)e(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉(zhuǎn)化過程還能為鐵氧化菌等原核生物生長提供能量。

　　鐵氧化菌（Fe-oxidizing bacteria，F(xiàn)eOB）是一類可以利用鐵作為電子供體、氧為電子受體進行新陳代謝的原核生物。在氧氣濃度小于1 mg/L時，嗜中性鐵氧化細菌可以高效率地氧化水體中的Fe(Ⅱ)，獲得生長所需要的能量。因此，鐵氧化菌是弱酸及近中性富鐵、貧氧水環(huán)境中Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉(zhuǎn)化的重要機制。據(jù)此，有學者認為鐵氧化菌的生物氧化過程是前寒武紀早期條帶狀鐵建造中Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉(zhuǎn)化的主要方式。

　　條帶狀鐵建造（Banded Iron Formation，BIF）作為地質(zhì)歷史時期主要的富鐵沉積巖之一，是研究前寒武紀表生環(huán)境狀態(tài)及Fe在表生環(huán)境中循環(huán)的重要對象。然而，由于條帶狀鐵建造記錄在18-8億年內(nèi)消失，使得對于這一長達10億年的時間內(nèi)低氧表生環(huán)境中鐵氧化菌的存在形式、Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉(zhuǎn)化機制的認識存在爭議。華北克拉通南緣黛眉山地區(qū)約17億年汝陽群云夢山組地層中發(fā)育了一套以赤鐵礦為主的“鐵建造”，其形態(tài)和結(jié)構(gòu)異于18億年前形成的傳統(tǒng)意義上的條帶狀鐵建造。深入研究云夢山組“鐵建造”，對認識18-8億年地球表生環(huán)境的氧化還原狀態(tài)與早期生命演化過程具有重大意義。

　　研究人員基于沉積學、礦物學、元素地球化學、Fe-Cr同位素地球化學等手段，對黛眉山地區(qū)的云夢山組“鐵建造”的沉積環(huán)境、物質(zhì)來源以及Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉(zhuǎn)化機制進行了探討，并與香港仔郊野公園的下水塘壩下采集的生物席樣品進行了對比。沉積學研究表明，云夢山組“鐵建造”形成于間歇性暴露的潮下帶上部-潮間帶淺水環(huán)境。

　　微量元素和Fe-Cr同位素等特征證明：云夢山組“鐵建造”的鐵來源與FeOB菌席類似，即來自陸地巖石風化產(chǎn)生的可溶性Fe(Ⅱ)；云夢山組 “鐵建造”形成時出現(xiàn)了一次明顯的增氧事件，該時期表層水體中的氧氣濃度恰好處于以Gallionella為代表的微需氧鐵氧化菌的最適氧氣濃度范圍（~3至25 μM）；微需氧鐵氧化菌在上述條件下可以與氧氣競爭，快速氧化水體中溶解的Fe(Ⅱ)，成為云夢山組“鐵建造”中Fe(Ⅱ)氧化的主要機制。

　　綜上，研究人員提出，由于18-16億年地球海洋化學狀態(tài)改變，海洋深部富鐵水體中的Fe(Ⅱ)難以向表層輸送，造成條帶狀鐵建造消失。同時，由于該時期地表氧化風化作用增強，大量Fe(Ⅱ)從地表巖石中釋放，導致陸地環(huán)境極度富鐵。富鐵的表生水體和適宜的水體氧氣濃度，共同促進了FeOB代謝、增殖。因此，F(xiàn)eOB在全球陸地水環(huán)境中廣泛分布，成為Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)轉(zhuǎn)化的主要機制，該時期也成為地球生物鐵代謝的重大轉(zhuǎn)折。

　　該研究對于理解18-8億年大氣、海洋和生物圈的狀態(tài)及其相互作用具有重要意義，為全面認識前寒武紀鐵的生物地球化學循環(huán)過程提供了新的思路。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1029/2022GL097877