Pyrite oxidation flux underestimated due to landscape-mediated microbial sulfate reduction
这项研究表明，陆地景观中的微生物硫酸盐还原作用（特别是在像喜马拉雅山脉这样低侵蚀和低降水量的环境中）系统性地改变了河流硫酸盐同位素信号，这意味着全球黄铁矿氧化通量——以及随之而来的二氧化碳排放和氧气消耗——可能比此前基于同位素的估算值高出两倍之多。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
地球的大气层是一个微妙的平衡表，不断被地质过程书写与重写。一方面，岩石风化并从空气中吸收二氧化碳，起到冷却机制的作用。另一方面，某些矿物的分解又将二氧化碳释放回天空。在这些矿物中，常被称为“愚人金”的黄铁矿发挥着出人意料的重要作用。当黄铁矿暴露在空气和水中时，它会发生氧化，产生硫酸，从而侵蚀周围的岩石并释放二氧化碳。这个过程同时也消耗氧气。几十年来，科学家一直试图测量山脉中黄铁矿分解的程度，因为这个数字有助于确定这些山脉是作为碳的净汇集点还是碳的来源。为了做到这一点，他们传统上观察的是流出河流的硫酸盐（黄铁矿分解的副产品）的化学指纹。他们假设这些指纹讲述了一个直截了当的故事：如果硫酸盐看起来是某种样子，它就来自黄铁矿；如果看起来是另一种样子，它就来自古代盐沉积物的溶解。
然而，一项来自喜马拉雅山脉恒河源头的新研究表明，这种传统观点缺失了一个关键章节。研究人员发现，用于追踪黄铁矿的化学信号正受到生活在土壤和地下水中的微观生命的影响。具体而言，消耗硫酸盐的细菌正在改变水在到达河流之前的化学组成。这种隐藏的生物活动意味着，之前的计算可能低估了黄铁矿实际氧化的程度。如果科学家们是对的，那么通过矿物风化释放的二氧化碳量可能几乎是之前认为的两倍，这将从根本上改变我们对山脉在数百万年间如何影响地球气候和氧气水平的理解。
由印度理工学院坎普尔分校和苏黎世联邦理工学院研究人员领导的团队，将调查重点放在了地形崎岖的阿拉克南德（Alaknanda）和巴吉拉蒂（Bhagirathi）流域。这些区域是进行此类研究的理想场所，因为它们包含多种类型的岩石，并经历着不同的侵蚀率和降雨量。科学家们收集了横跨这一景观的河流和溪流水样，不仅测量了水的化学成分，还测量了其中生存的微生物的遗传标记。他们正在寻找一种被称为 dsrB 的特定基因，它是执行微生物硫酸盐还原作用的细菌的特征。这是一个细菌在低氧环境中（常见于深层土壤或岩石裂缝中）通过剥离硫酸盐分子中的氧气来生存的过程。
研究人员发现，景观与微生物之间存在明确的联系。在土地侵蚀缓慢且土壤厚实的地区，水从地表流向河流需要很长时间。这段缓慢的旅程使得氧气被植物根系和其他生物消耗殆尽，从而创造了适合食硫酸盐细菌茁壮成长的厌氧（即无氧）环境。在这些移动缓慢、侵蚀率低的生态环境中，细菌非常丰富，且水中硫酸盐的化学特征被严重改变了。这些细菌不仅在消耗硫酸盐，还在改变其同位素组成，使其看起来像是来自完全不同的来源。研究表明，这些细菌的存在越多，化学信号与简单岩石风化所预期的偏差就越大。
至关重要的是，团队发现这种生物性的“覆盖效应”并非随机发生的，而是受物理地形和气候控制的。在陡峭、快速侵蚀的景观或被冰川覆盖的地区，土壤薄且水流迅速。氧气没有足够的时间被耗尽，因此食硫酸盐细菌无法建立强大的存在感，化学信号也保持相对不变。但在低侵蚀、温暖且潮湿的流域部分，水在土壤中停留的时间足够长，足以让细菌发挥作用。研究人员发现，在物理侵蚀率较低且降水量适中或较低的地方，这种改变程度最高，因为这种组合最大限度地延长了水在地下停留的时间。
这一发现对于我们理解全球硫循环和碳循环具有深远意义。多年来，科学家一直利用河流硫酸盐的化学组成来估算全球黄铁矿氧化的程度。他们曾假设，如果硫酸盐看起来像是来自古代盐沉积物，那么它就不是来自黄铁矿。但新数据表明，细菌正在使源自黄铁矿的硫酸盐看起来像是来自盐沉积物。当研究人员将这种新的理解应用于全球河流化学数据库时，结果令人震惊。他们发现，在许多河流中，硫酸盐几乎完全源自黄铁矿氧化，尽管其化学信号此前曾暗示并非如此。
通过修正这种微生物干扰，该团队计算出，全球每年通过黄铁矿氧化产生的硫酸盐通量可能在 2.0 到 2.5 万亿摩尔之间。这显著高于之前 1.3 到 1.6 万亿摩尔左右的估算值。简单来说，通过黄铁矿风化释放到大气中的二氧化碳量可能几乎是之前认为的两倍。这并不意味着地球面临紧迫危险，但它确实意味着，我们的行星在漫长地质年代内如何调节温度的模型需要更新。山脉通常被视为通过硅酸盐岩石风化来吸收空气中碳的地方，但在计入黄铁矿氧化的完整影响后，它们释放的碳可能比吸收的更多。
这项研究还强调了物理世界与微观世界之间错综复杂的联系。山脉的形状、侵蚀速度和降雨量共同决定了隐形细菌的行为，而这些细菌反过来又改写了流向海洋的水的化学历史。研究人员通过直接测量水样中硫酸盐还原细菌的数量，证实了这一点。他们发现，在相对于可用硫酸盐而言细菌数量最多的地方，化学失真程度最大。这为景观、微生物和全球碳循环之间提供了直接的定量联系。
这项工作并不是说之前的模型完全错误，而是说它们是不完整的。传统的观点将河流中的化学信号视为岩石风化的静态记录。新的研究揭示了这一记录是动态的，不断被在陆地环境中被很大程度上忽视的生物过程所编辑。该研究强调，要真正了解地球的气候历史，科学家必须超越岩石和水，去观察存在于其中的生命。下次当我们考虑山脉在全球碳循环中的作用时，我们必须记住，这个故事不仅是用石头书写的，也是用土壤书写的，在那里，微小的细菌正在悄然重塑着地球的化学性质。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。