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Jun 01, 2023

레일리 증류로 인해 심해 퇴적물에서 독특하게 낮은 안정한 철 동위원소 특성 확인

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10281(2023) 이 기사 인용 467 액세스 측정항목 세부정보 DIR(이화철환원)은 미생물의 가장 초기 형태 중 하나로 제안됩니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10281(2023) 이 기사 인용

467 액세스

측정항목 세부정보

DIR(Dissimilatory Iron Reduction)은 미생물 호흡의 가장 초기 형태 중 하나로 제안됩니다. 이는 현대 및 고대 퇴적물에서 철의 생지화학적 순환에 중요한 역할을 합니다. 미생물의 철 순환은 일반적으로 철 동위원소 분류를 동반하기 때문에 안정한 철 동위원소는 생물학적 활성의 추적자로 사용됩니다. 여기서 우리는 일본 난카이 해저에서 회수된 깊고 뜨거운 해저 퇴적물로부터 용해되고 순차적으로 추출된 퇴적 철 웅덩이에 대한 철 동위원소 데이터를 제시합니다. 용존 철(Fe(II)aq)은 철퇴적층 전반에 걸쳐 동위원소적으로 가볍지만 일부 샘플은 예외적으로 가벼운 동위원소 값을 갖습니다. 이러한 조명 값은 자연 해양 환경에서 보고된 적이 없으며 DIR에만 기인할 수 없습니다. 우리는 Fe(II)aq가 산화철 표면에 흡착되어 기공수에서 지속적으로 제거되는 레일리 증류 모델에 의해 가벼운 동위원소 값이 가장 잘 설명된다는 것을 보여줍니다. 중온성 미생물의 임계값을 초과하는 온도 증가로 인해 미생물 매개 Fe(II)aq 방출이 중단된 반면, 비생물적 흡착 Fe(II)aq 제거는 계속되어 고유한 가벼운 동위원소 값을 얻었습니다. 이러한 발견은 특히 심해저 퇴적물에서 용존 철 동위원소 데이터를 해석하는 데 중요한 의미를 갖습니다.

지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나인 철(Fe)은 주로 철(II) 및 철(III) Fe로 발생하는 산화환원에 민감한 원소입니다. 미생물은 Fe(II)와 Fe(III) 산화환원/산화 상태1 사이에서 Fe를 환원하거나 산화시켜 에너지를 얻습니다. 이러한 반응은 탄소와 황의 원소 순환과 밀접하게 연관되어 있어 전 세계 생지화학적 순환의 중요한 동인이 됩니다. DIR(Dissimilatory Fe(III) 환원(DIR)은 지구상에서 가장 초기의 미생물 대사 경로 중 하나이며, Fe(III) 환원 미생물은 깊고 뜨거운 생물권2,3의 주요 주민일 수 있습니다. 여기서 심부 생물권은 해저 5m(mbsf)보다 깊은 해양 퇴적물을 말하며 해저까지 수백에서 수천 미터까지 이어집니다4.

안정 철 동위원소 분석은 해양 환경5,6,7,8,9,10에서 Fe 공급원, 수송 및 반응 경로를 추적하고 해독하는 데 널리 적용됩니다. 일반적으로 δ56Fe(‰)로 표시되는 가장 풍부한 두 Fe 동위원소(54Fe 및 56Fe)의 비율은 생지화학적 Fe 순환에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있으며 현대 및 고대 해양 퇴적물에서 미생물 매개 과정에 대한 대용으로 사용될 수 있습니다. 12,13. 주목할만한 Fe 동위원소 분류는 산화환원 과정 중에 발생합니다. 화성암의 평균 동위원소 조성(δ56Fe = 0.09 ± 0.05‰, 1SD ref.17)과 비교하여 최대 - 3‰의 가장 뚜렷한 분별은 Fe(II)와 Fe 사이의 전자 및 Fe 원자 교환 결합으로 인해 발생합니다. (III) DIR15,16 동안 Fe 산화물 표면에서. 미생물은 56Fe보다 54Fe를 우선적으로 소비하기 때문에 각각의 용해된 Fe(Fe(II)aq)는 동위원소적으로 가벼운 반면, 잔류 Fe(III)는 동위원소적으로 무거운 56Fe5,16,18에서 점진적으로 농축됩니다. 철 동위원소는 광물 표면의 Fe(II)aq 흡착(동위원소적으로 무거운 56Fe의 우선 흡착)15,16,19 또는 Fe 광물의 침전(분별은 반응이 동역학적으로 제어되는지 또는 평형)14,20,21,22. 여러 연구에서 얕은(< 5mbsf) 퇴적물에서 초기 속성 발생 동안 Fe 동위원소 분류에 초점을 두었지만6,18,23, 지금까지 깊은 해저(>5mbsf) 퇴적물에 용해된 Fe에 대한 동위원소 기록은 존재하지 않습니다.

여기에서는 일본 무로토 곶의 난카이 해구에 시추된 1180m 깊이의 구멍(사이트 C0023)에서 국제 해양 발견 프로그램(IODP) 탐험 370 중에 수집된 기공수 및 고체상 샘플을 조사합니다. 퇴적물-지하 경계면에서 최대 120°C의 온도와 높은 열 흐름이 사이트 C0023(참조 24)의 특징입니다. 탐험의 목적은 미생물 생명체의 온도 한계를 탐구하고 생물적 영역과 비생물적 영역을 구별하는 지구화학적, 미생물적 특성을 식별하는 것이었습니다25. 용해된 Fe는 화산재 층의 증가된 양을 특징으로 하는 간격에서 주로 검출되었으며(그림 1a)25, 이는 화산재가 미생물 Fe 감소 및 Fe(II)aq 방출을 자극하는 환원 가능한 미네랄을 제공한다는 것을 나타냅니다. 깊고 뜨거운 생물권에서 생지화학적 과정을 위한 화산재 층의 역할과 Fe 단계의 가용성을 평가하기 위해 우리는 개별 화산재와 주변 진흙 암석 샘플에서 반응성 Fe 단계의 순차적 추출을 수행했습니다. C0023 현장의 퇴적물은 이미 고형화된 상태이므로25 이하에서는 '진흙암'이라는 용어를 사용합니다. 기공수와 추출된 Fe의 δ56Fe 분석을 결합함으로써, 또 다른 목표는 용해되고 반응성인 고체상 Fe의 동위원소 조성이 미생물 Fe 환원을 나타내는지 해독하는 것이었습니다. 우리는 공극수의 음의 δ56Fe 값이 미생물에 의한 공정에 대한 강력한 논증이 될 것이라는 가설을 세웠습니다. 그러나 우리는 미생물의 Fe 환원만으로 인해 발생할 가능성이 없는 극히 낮은 δ56Fe 공극수 값을 발견했습니다. 이 발견에 대한 가장 유력한 설명으로 우리는 Fe(II)aq가 Fe(옥시수산화물) 표면에 흡착되는 것을 포함하는 레일리 증류 모델을 제시합니다.