Pyrite oxidation flux underestimated due to landscape-mediated microbial sulfate reduction
本研究は、ヒマラヤのような低浸食かつ低降水量の環境における陸域景観での微生物による硫酸塩還元が、河川の硫酸塩同位体シグナルを系統的に変化させていることを示しており、これは世界の黄鉄鉱酸化フラックス、ひいては二酸化炭素排出量および酸素消費量が、従来の同位体に基づく推定値の最大2倍に達する可能性があることを示唆している。
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地球の大気は、地質学的プロセスによって絶えず書き換えられ続けている、繊細なバランスシートである。一方では、岩石が風化して空気中から二酸化炭素を取り込み、冷却メカニズムとして機能する。他方では、特定の鉱物の分解によって二酸化炭素が空中に放出される。これらの鉱物の中でも、「愚者の黄金」としばしば呼ばれる黄鉄鉱は、驚くほど大きな役割を果たしている。黄鉄鉱が空気や水にさらされると、酸化して硫酸を生成し、それが周囲の岩石を侵食して二酸化炭素を放出する。このプロセスは酸素も消費する。何十年もの間、科学者たちは山脈でどれほどの黄鉄鉱が分解されているかを測定しようと試みてきた。なぜなら、この数値は、山が炭素の純粋な吸収源（シンク）として機能しているのか、それとも放出源（ソース）として機能しているのかを判断する助けになるからである。これを行うために、彼らは伝統的に、黄鉄鉱の分解の副産物である硫酸塩の化学的な指紋（特徴）を、河川から流れ出る水を通じて観察してきた。彼らは、その指紋が明快な物語を語っていると考えていた。つまり、もし硫酸塩が特定の見え方であればそれは黄鉄鉱に由来し、別の見え方であればそれは古代の塩層の溶解に由来するという仮定である。
しかし、ヒマラヤのガンジス川源流域からの新しい研究は、この伝統的な見解が重要な一章を見落としていることを示唆している。研究者たちは、黄鉄鉱を追跡するために用いられる化学的信号が、土壌や地下水に生息する微小な生命体によって変質させられていることを発見した。具体的には、硫酸塩を消費する細菌が、水が河川に到達する前にその化学組成を変化させているのである。この隠れた生物学的活動により、これまでの計算では、実際に酸化している黄法鉄鉱の量が過小評価されていた可能性が高い。もし科学者たちの主張が正しければ、岩石の風化によって放出される二酸化炭素の量は、以前考えられていた量のほぼ2倍に達する可能性があり、山が数百万年にわたって地球の気候にどのように影響を与えるかという私たちの理解を根本的に変えることになる。
インド工科大学カンプル校とETHチューリッヒの研究者を中心とするチームは、アラクナンダ川とバギリティ川の集水域という険しい地形に焦点を当てた。これらの地域は、多様な種類の岩石を含み、異なる浸食率や降雨量を経験するため、この種の調査に最適である。科学者たちは、この景観全体から河川や小川の水サンプルを採取し、水の化学組成だけでなく、その中に生息する微生物の遺伝的マーカーも測定した。彼らは、微生物による硫酸塩還元を行う細菌のシグネチャーとなる、dsrBとして知られる特定の遺伝子を探していた。これは、土壌の深部や岩の割れ目など、低酸素環境において、細菌が生き延びるために硫酸塩から酸素を剥ぎ取るプロセスである。
研究者たちが発見したのは、地形と微生物との間の明確な関連性であった。土地の浸食が緩やかで土壌が厚い場所では、水が地表から河川へと移動するのに長い時間がかかる。この緩やかな旅によって、植物の根や他の生物によって酸素が消費され、硫酸塩を食べる細菌が繁殖するための完璧な無酸素状態が作り出される。このような浸食速度が遅い環境では、細菌が豊富に存在し、水の硫酸塩の化学的シグネチャーは大きく変質していた。細菌は単に硫酸塩を消費しているだけでなく、その同位体組成を、あたかも全く別の起源から来たかのように変化させていたのである。研究は、これらの細菌が存在すればするほど、化学的信号が単純な岩石の風化から予想されるものから逸脱することを示した。
決定的なことに、チームはこの生物学的な上書きがランダムなものではなく、地形の物理的な形状と気候によって制御されていることを見出した。急峻で浸食の速い景観や、氷河に覆われた地域では、土壌は薄く、水の移動は速い。酸素が枯渇する時間はほとんどないため、硫酸塩を食べる細菌が強力に定着することはない。そのため、化学的信号は比較的変化しない。しかし、浸食が少なく、より温暖で湿潤な集水域では、水が土壌の中に留まる時間が十分にあり、細菌がその活動を行うことができる。研究者たちは、物理的な浸食率が低く、降水量が中程度から低レベルである場所において、この変質の程度が最大になることを突き止めた。これは、水が地下に滞在する時間を最大化させる組み合わせである。
この発見は、世界の硫黄および炭素サイクルに対する私たちの理解に深い意味を持つ。長年、科学者たちは河川の硫酸塩の化学組成を用いて、世界中でどれほどの黄鉄鉱が酸化されているかを推定してきた。彼らは、もし硫酸塩が古代の塩層に由来するように見えれば、それは黄鉄鉱由来ではないと考えてきた。しかし、新しいデータは、細菌が黄鉄鉱由来の硫酸塩を、あたかも塩層に由来するかのように見せていることを示唆している。研究者がこの新しい理解を世界の河川化学のデータベースに適用したところ、驚くべき結果が出た。多くの河川において、硫酸塩はほぼ完全に黄鉄鉱の酸化に由来していることが判明した。これは、以前の化学的信号がそれとは異なる起源を示唆していたにもかかわらずである。
この微生物による干渉を補正することで、チームは、黄鉄鉱酸化による世界の硫酸塩フラックス（流束）は、年間2.0兆から2.5兆モルである可能性が高いと算出した。これは、以前の推定値であった1.3兆から1.6兆モルを大幅に上回っている。簡単に言えば、山の黄鉄鉱の風化によって大気中に放出される二酸化炭素の量は、これまで考えられていた量のほぼ2倍になる可能性があるということである。これは地球が差し迫った危険に直面していることを意味するのではないが、地質学的時間スケールで惑星がどのように温度を調節しているかという私たちのモデルを更新する必要があることを意味している。山々は、ケイ酸塩岩の風化を通じて空気から炭素を引き抜く場所として見なされることが多いが、黄鉄鉱の酸化による影響を完全に考慮すると、実際には吸収するよりも多くの炭素を放出している可能性がある。
この研究はまた、物理的な世界と微小な世界との間の複雑なつながりを浮き彫りにしている。山の形状、浸食の速度、そして降雨量はすべて、目に見えない細菌の挙動を決定し、それがひいては海洋へと流れる水の化学的歴史を書き換えるのである。研究者たちは、水サンプル中の硫酸塩還元細菌の存在量を直接測定することで、このことを確認することができた。彼らは、利用可能な硫酸塩量に対して細菌が最も多く存在する場所では、化学的な歪みが最大になることを見出した。これにより、景観、微生物、そして地球規模の炭素サイクルの間の直接的かつ定量的なつながりが証明された。
この研究は、従来のモデルが完全に間違っていたと主張しているのではなく、むしろ不完全であったと指摘している。伝統的な見解は、河川中の化学的信号を、岩石の風化の静的な記録として扱ってきた。新しい研究は、この記録がダイナミックなものであり、陸上環境においてこれまで見過ごされてきた生物学的プロセスによって絶えず編集されていることを明らかにしている。この研究は、地球の気候の歴史を真に理解するためには、岩石や水だけでなく、その中に存在する「生命」にも目を向けなければならないことを強調している。次に私たちが地球規模の炭素サイクルにおける山の役割を考えるとき、その物語は単に石に刻まれているだけでなく、小さな細菌が静かに地球の化学を形作っている土壌の中にも刻まれているということを、私たちは忘れてはならない。
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