Modern dolomite formation caused by seasonal cycling of oxygenic phototrophs and anoxygenic phototrophs in a hypersaline sabkha  

高鹽鹽沼含氧光合生物和無氧光合生物的季節(jié)性循環(huán)引起的現(xiàn)代白云巖形成

來源：Scientific Reports, volume 11, Article number: 4170 (2021)  

《科學(xué)報告》第11卷，文章編號4170（2021年）  

 

摘要內(nèi)容：  

研究通過三年季節(jié)性監(jiān)測卡塔爾Khor Al Adaid薩布哈的微生物席，揭示了鹽度驅(qū)動的微生物群落演替（產(chǎn)氧光合菌→不產(chǎn)氧光合菌/異養(yǎng)菌）如何通過改變胞外聚合物（EPS）的羧基濃度促進(jìn)白云巖形成。高鹽條件下，微生物群落向不產(chǎn)氧光合菌（如綠屈撓菌）和異養(yǎng)菌（如鹽桿菌）轉(zhuǎn)變，EPS羧基濃度顯著升高（表1），克服了低溫白云巖形成的動力學(xué)障礙。這種季節(jié)性循環(huán)機制解釋了"白云巖問題"——即古代廣泛分布的白云巖與現(xiàn)代罕見形成之間的矛盾，并指出地球歷史上大氣氧含量變化可能影響此類生物地球化學(xué)循環(huán)。  

 

研究目的：  

1. 揭示高鹽環(huán)境（薩布哈）中季節(jié)性變化如何驅(qū)動微生物群落演替及其對白云巖形成的影響機制。  

2. 闡明胞外聚合物（EPS）官能團(tuán)（尤其是羧基）在克服白云巖形成動力學(xué)障礙中的關(guān)鍵作用。  

3. 為地質(zhì)記錄中白云巖分布不均的現(xiàn)象（"白云巖問題"）提供現(xiàn)代過程解釋。  

 

研究思路：  

1. 多季節(jié)原位監(jiān)測：在卡塔爾Khor Al Adaid薩布哈的潮間帶（KAAS-1和KAAS-2站點）進(jìn)行三年季節(jié)性采樣（2016年3月/10月、2018年2月），記錄環(huán)境參數(shù)與微生物席特征（圖1）。  

 

2. 多技術(shù)聯(lián)用分析：  

   ? 丹麥Unisense微電極測定沉積物-水界面溶解氧（O?）、pH和氧化還原電位（Eh）的垂向剖面（圖2）。  

 

   ? X射線衍射（XRD）和掃描電鏡-能譜（SEM-EDS）鑒定白云巖礦物相（圖3）。  

 

   ? 16S rRNA測序分析微生物群落結(jié)構(gòu)（圖4）。  

 

   ? 電位滴定法定量EPS官能團(tuán)濃度（表1）。  

 

3. 數(shù)據(jù)整合：關(guān)聯(lián)鹽度波動→微生物群落演替→EPS羧基變化→白云巖形成的級聯(lián)效應(yīng)，提出"生長-衰變微生物席（GMM-DMM）"循環(huán)模型（圖5）。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

1. 環(huán)境參數(shù)剖面（圖2）：  

   ? 數(shù)據(jù)：O?、pH、Eh的毫米級垂向分布（如KAAS-1在2016年3月表層O?≈300 μmol L?1，5cm深處降至0）。  

 

   ? 意義：揭示微生物代謝梯度，證實高鹽期（如2016年10月鹽度137.79‰）導(dǎo)致還原性環(huán)境，支撐硫酸鹽還原與異養(yǎng)菌活動。  

 

2. 礦物相特征（圖3）：  

   ? 數(shù)據(jù)：XRD顯示2θ=30.91°有序白云石峰；SEM-EDS證實微米級菱形體（Mg/Ca≈0.6）。  

 

   ? 意義：證明現(xiàn)代薩布哈持續(xù)形成有序白云巖（非前驅(qū)礦物），高鹽期（如2016年10月）晶體更完整。  

 

3. 微生物群落（圖4）：  

   ? 數(shù)據(jù)：低鹽期（2016年3月）KAAS-1以藍(lán)菌為主（42.99%）；高鹽期（2016年10月）轉(zhuǎn)變?yōu)榫G屈撓菌（32.7%）和鹽桿菌。  

 

   ? 意義：鹽度驅(qū)動群落從產(chǎn)氧光合菌向不產(chǎn)氧菌演替，關(guān)聯(lián)EPS羧基濃度升高（表1）。  

 

4. EPS官能團(tuán)（表1）：  

   ? 數(shù)據(jù)：高鹽期羧基濃度翻倍（KAAS-1在2016年10月：0.461±0.23 mmol g?1 vs. 2016年3月：0.113±0.08 mmol g?1）。  

 

   ? 意義：羧基作為Mg2?脫水位點，直接促進(jìn)白云石成核，解釋高鹽期白云巖結(jié)晶度提升。  

 

結(jié)論：  

1. 鹽度驅(qū)動微生物演替：鹽度升高（48‰→137‰）促使微生物群落從產(chǎn)氧光合菌（藍(lán)菌）向不產(chǎn)氧光合菌（綠屈撓菌）和異養(yǎng)菌（鹽桿菌）轉(zhuǎn)變（圖4）。  

2. EPS羧基的關(guān)鍵作用：群落演替使EPS羧基濃度增加2-4倍（表1），通過Mg2?脫水克服白云巖形成的動力學(xué)障礙（圖5）。  

3. 季節(jié)性成礦機制：高鹽期"衰變微生物席（DMM）"階段（異養(yǎng)菌主導(dǎo)）的羧基富集促進(jìn)白云巖結(jié)晶，低鹽期"生長微生物席（GMM）"階段（藍(lán)菌主導(dǎo)）則抑制成礦。  

4. 地質(zhì)意義：該循環(huán)模型解釋了古代廣泛白云巖（如元古宙蓋帽白云巖）形成于低氧高有機質(zhì)周轉(zhuǎn)環(huán)境，而顯生宙大氣氧升高可能限制此類過程。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense微電極原位獲取O?、pH和Eh的垂向剖面（圖2）：  

1. 高分辨率環(huán)境診斷：毫米級剖面（如KAAS-2在2018年2月表層O?飽和，2cm深處Eh降至-200mV）直接揭示微生物代謝分帶，證實鹽度升高導(dǎo)致厭氧微環(huán)境擴張，支撐硫酸鹽還原菌活動。  

2. 關(guān)聯(lián)礦物形成位點：電極數(shù)據(jù)顯示白云巖富集層（SEM鑒定）與缺氧-弱還原區(qū)（Eh≈0至-100mV）重合，驗證成礦需特定氧化還原窗口。  

3. 量化季節(jié)性動態(tài)：對比旱季（2016年10月）與雨季（2018年2月）剖面，證實鹽度波動通過改變O?滲透深度（雨季>10cm，旱季<2cm）調(diào)控微生物代謝類型，驅(qū)動EPS組成變化（圖5）。  

4. 技術(shù)優(yōu)勢：避免采樣擾動，實時反映溫鹽梯度下微生物-礦物相互作用，為"GMM-DMM模型"提供關(guān)鍵地球化學(xué)證據(jù)鏈。