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　　近日，《自然-通訊》（Nature Communications）期刊在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所礦物表界面作用學(xué)科組袁鵬研究組關(guān)于硅藻生物硅（硅藻的無機(jī)殼體）影響硅-鋁地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制的研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)，鋁通過類質(zhì)同象置換硅的形式進(jìn)入湖泊硅藻的氧化硅骨架中，其鋁含量遠(yuǎn)高于海水中的硅藻生物硅。基于全球海洋和湖泊生物硅的沉積率數(shù)據(jù)，該研究提出，賦存于湖泊沉積生物硅骨架中的鋁構(gòu)成了地球的一個(gè)重要鋁匯，其年沉積量的規(guī)?？氨群Ｑ笊锕杷鶚?gòu)成的鋁匯。該研究還指出，湖泊硅藻生物硅的溶解率因其高鋁含量而顯著降低，有利于提高湖泊硅藻驅(qū)動(dòng)的“生物泵”固碳效率；該效應(yīng)對(duì)揭示湖泊體系的固碳作用機(jī)制及其影響具有重要意義。
　　鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，其地球化學(xué)循環(huán)與多種成巖成礦作用密切相關(guān)，是地球物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。硅藻廣泛分布于地球水體環(huán)境，是地球上最“成功”的浮游光合生物之一。其光合作用的生物固碳量逾地球生態(tài)系統(tǒng)的五分之一，超過全球熱帶雨林固碳量的總和。硅藻還是少數(shù)能夠攝取硅元素建造自身細(xì)胞壁（礦物成分為A型蛋白石）的代表性水生生物，故其生命活動(dòng)和其硅質(zhì)遺骸的歸趨構(gòu)成了全球硅-碳共循環(huán)的主要環(huán)節(jié)。海水中的溶解鋁對(duì)硅藻生長(zhǎng)的影響及其與海洋硅藻生物硅之間的界面反應(yīng)已吸引了廣泛研究關(guān)注。而實(shí)際上，海洋水體中溶解鋁的濃度遠(yuǎn)低于淡水湖泊中的鋁濃度；但關(guān)于湖泊生物硅在相對(duì)高鋁濃度條件下的結(jié)構(gòu)-成分“響應(yīng)”及其所致地球化學(xué)效應(yīng)，一直未得到應(yīng)有的研究關(guān)注。
　　為此，袁鵬研究組從礦物-微生物界面作用的角度入手，以我國(guó)太湖、烏梁素海等淡水湖泊中的硅藻為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了具代表性的梅尼小環(huán)藻和谷皮菱形藻（全球淡水湖泊中分布最廣泛的兩種硅藻）；開展了不同鋁濃度下的硅藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)采集和培養(yǎng)所獲硅藻及其生物硅進(jìn)行了系統(tǒng)的微區(qū)結(jié)構(gòu)-成分分析，將高分辨微區(qū)分析（飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜等；圖1）與基于豐富硅藻及生物硅樣品的成分分析（圖2）相結(jié)合，獲得了湖泊硅藻及其生物硅中鋁賦存特征的全面認(rèn)識(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，鋁通過類質(zhì)同像置換硅的形式賦存于硅藻生物硅中；湖泊生物硅中的鋁含量達(dá)到海洋生物硅中鋁含量的六倍以上；地球上每年因湖泊硅藻生物硅沉積所形成的鋁匯達(dá)109kg量級(jí)，其規(guī)模與海洋生物硅沉積所致鋁匯相近。該發(fā)現(xiàn)證明湖泊環(huán)境中硅藻的生長(zhǎng)、溶解和沉積構(gòu)成了一個(gè)重要的硅-鋁共循環(huán)體系，其結(jié)果是全球湖泊沉積物形成了巨大的生物鋁匯。該鋁匯占陸源生物鋁總量的相當(dāng)比例，影響著全球海洋鋁的陸源輸入量，對(duì)鋁循環(huán)所涉地球化學(xué)過程（如反風(fēng)化作用）具有多方面的潛在影響（詳見論文）。這啟示我們，在構(gòu)建全球鋁、硅等元素循環(huán)模型時(shí)，必須考慮湖泊硅藻生物硅所致鋁匯的作用。
　　鑒于硅藻在水圈、生物圈乃至巖石圈中對(duì)地球物質(zhì)循環(huán)的影響廣泛，該工作所獲發(fā)現(xiàn)對(duì)硅藻“生物泵”固碳作用、硅藻沉積成礦機(jī)制等相關(guān)科學(xué)問題的研究亦具有參考價(jià)值，有望“激發(fā)更多的研究工作和討論”（錄自論文的終審意見）。例如，在硅藻“生物泵”作用中，“幸存（即未在沉降過程中溶解）”的硅藻生物硅抵達(dá)沉積層是硅藻生物泵實(shí)現(xiàn)有效固碳的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。湖泊硅藻生物硅因高鋁含量致其溶解性下降，應(yīng)是湖泊生物硅沉積比海洋生物硅沉積更高效的一個(gè)重要原因。這提示人們需重新思考湖泊體系在地球生物固碳過程中的作用和影響。
　　再者，硅藻生物硅沉積對(duì)其形成礦產(chǎn)資源具有重要意義。硅藻大量沉積、成巖所形成的硅藻土礦（硅藻蛋白石與共生礦物的聚集體）的全球儲(chǔ)量以十億噸計(jì)；硅藻土因其諸多優(yōu)異性質(zhì)已成為工業(yè)用途最廣泛的非金屬礦之一。我國(guó)目前發(fā)現(xiàn)的硅藻土礦均源于湖相沉積作用，這與該研究關(guān)于湖相硅藻沉積更高效的研究結(jié)果相符。袁鵬研究組近期的另一研究（Yuan et al., American Mineralogist, 2019）曾發(fā)現(xiàn)硅藻土中的硅藻蛋白石——硅藻沉積作用的終產(chǎn)物——具有“鋁鐵質(zhì)表面薄膜及結(jié)構(gòu)含鋁”的特殊微結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分，提出該特性應(yīng)源于生物礦化階段或反風(fēng)化作用中硅藻生物硅的界面反應(yīng)。本次《自然-通訊》所報(bào)道的研究則回溯至硅藻在其生長(zhǎng)階段與鋁的界面反應(yīng)，并由其進(jìn)一步證實(shí)了鋁在硅藻生長(zhǎng)時(shí)即已被獲取并參與構(gòu)建了硅藻骨架。這些結(jié)果表明，研究硅藻土的成礦模式，不僅需考慮水體沉積條件和后期埋藏條件等，還須深入探查硅藻生物硅沉積成巖過程中的微觀礦物界面反應(yīng)機(jī)制（如生物硅-元素界面反應(yīng)及生物硅的溶解等）。
　　值得一提的是，鋁并非硅藻生長(zhǎng)的必需元素；相反，溶解鋁在一定條件下對(duì)微生物具有毒害作用；因此，硅藻攝取并“固定”鋁這一獨(dú)特現(xiàn)象，值得在討論鋁的生物地球化學(xué)循環(huán)、歸趨及其生態(tài)效應(yīng)（如微生物毒性）時(shí)予以考慮。總的來說，在硅藻生長(zhǎng)期、生命活動(dòng)期乃至生命終止期，其硅質(zhì)多孔骨架構(gòu)建、生物硅溶解和沉降、沉積成巖等過程均伴隨著有機(jī)質(zhì)-礦物基體-溶解元素間的界面反應(yīng)。鑒于硅藻種類、生長(zhǎng)環(huán)境條件的高度多樣性，其生物礦化和生物地球化學(xué)行為或可產(chǎn)生復(fù)雜而影響深遠(yuǎn)的環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)，有待不同學(xué)科研究者們共同關(guān)注并持續(xù)開展研究。
　　該研究成果以Lake sedimentary biogenic silica from diatoms constitutes a significant global sink for aluminium 為題以全文（Article）形式發(fā)表。劉冬、袁鵬為論文的共同第一作者，袁鵬為通訊作者，田倩、劉紅昌、鄧亮亮、宋雅然、周軍明等九位研究人員和研究生為論文的共同作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家高層次人才科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、中科院青年促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目、廣東省杰出青年基金和上海同步輻射光源用戶開放課題的資助。
　　論文鏈接
　　圖1. 梅尼小環(huán)藻生物硅的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）圖（a和b）；以及飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜的元素分布圖（硅分布的俯視和側(cè)視圖：c和d；鋁分布的俯視和側(cè)視圖：e和f）
　　圖2. 不同鋁濃度下培養(yǎng)的梅尼小環(huán)藻（圖a）和谷皮菱形藻（圖b）及其生物硅中的鋁硅原子比