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Jun 01, 2023

レイリー蒸留によって引き起こされる深海堆積物中の独特の低安定な鉄同位体の特徴

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10281 (2023) この記事を引用 467 アクセス メトリクスの詳細 異化性鉄還元 (DIR) は、微生物の最も初期の形態の 1 つであることが示唆されています。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10281 (2023) この記事を引用

467 アクセス

メトリクスの詳細

異化性鉄還元 (DIR) は、微生物呼吸の最も初期の形態の 1 つであることが示唆されています。 現代および古代の堆積物における鉄の生物地球化学的循環において重要な役割を果たしています。 微生物の鉄循環には通常、鉄同位体の分画が伴うため、安定した鉄同位体は生物活性のトレーサーとして使用されます。 今回我々は、日本の南海トラフ沖で採取された、深くて熱い海底下の堆積物から溶解し、逐次抽出された堆積鉄プールの鉄同位体データを紹介する。 溶解鉄 (Fe(II)aq) は、鉄含有堆積物区間全体にわたって同位体的に軽いですが、一部のサンプルは例外的に軽い同位体値を持っています。 このような光の値は自然の海洋環境では報告されたことがなく、DIR のみに起因するものではありません。 軽同位体値は、Fe(II)aq が鉄 (オキシ水) 酸化物表面への吸着によって間隙水から連続的に除去されるレイリー蒸留モデルによって最もよく説明されることを示します。 微生物媒介のFe(II)aq放出は中温微生物の閾値を超える温度上昇により停止したが、非生物的吸着性Fe(II)aq除去は継続し、独特の軽い同位体値をもたらした。 これらの発見は、特に海底下の堆積物における溶存鉄同位体データの解釈に重要な意味を持ちます。

地球上で最も豊富な元素の 1 つである鉄 (Fe) は、主に第一鉄 (II) および第二鉄 (III) Fe として存在する酸化還元感受性元素です。 微生物は、Fe(II) と Fe(III) の酸化還元/酸化状態の間で Fe を還元または酸化することによってエネルギーを獲得します1。 これらの反応は炭素と硫黄の元素循環と強く結びついており、地球規模の生物地球化学サイクルの重要な推進力となっています。 異化性鉄(III) 還元 (DIR) は地球上で最も初期の微生物代謝経路の 1 つであり、鉄(III) 還元微生物は深くて熱い生物圏の重要な生息者である可能性があります 2,3。 ここでいう深部生物圏とは、海底下 5 m (mbsf) よりも深い海洋堆積物を指し、海底まで数百〜数千メートル続いています4。

鉄の安定同位体分析は、海洋環境における鉄源、輸送および反応経路を追跡および解読するために広く適用されています5、6、7、8、9、10。 最も豊富に存在する 2 つの Fe 同位体 (54Fe と 56Fe) の比は、一般的に δ56Fe (``) として表され、生物地球化学的な鉄循環に関する貴重な洞察を提供することができ、現代および古代の海洋堆積物における微生物媒介プロセスの代用として使用できる可能性があります 11。 12、13。 注目すべき鉄同位体分別は、酸化還元プロセス中に発生します14、15、16。 火成岩の平均同位体組成（δ56Fe = 0.09 ± 0.05 パーセント、1SD ref.17）と比較して最大 - 3 パーセントの最も顕著な分別は、Fe(II) と Fe の間の結合電子および Fe 原子交換によって引き起こされます。 (III) DIR15,16 中の Fe 酸化物表面。 微生物は 56Fe よりも 54Fe を優先的に消費するため、それぞれの溶解 Fe (Fe(II)aq) は同位体的に軽く、残りの Fe(III) は同位体的に重い 56Fe5,16,18 に徐々に濃縮されます。 鉄同位体は、鉱物表面への Fe(II)aq の吸着 (同位体的に重い 56Fe の優先吸着) 15,16,19 や Fe 鉱物の沈殿などの非生物的プロセス中にも分別されます (分別は、反応が速度論的に制御されているかどうかによって異なります)。平衡）14、20、21、22。 いくつかの研究は、浅い（< 5 mbsf）堆積物における初期続成作用中の Fe 同位体分画に焦点を当てているが、これまでのところ、深い海底下（> 5 mbsf）堆積物中の溶存 Fe に関する同位体記録は存在しない。

ここでは、国際海洋発見プログラム (IODP) の第 370 回遠征中に、日本の室戸岬沖の南海トラフで掘削された深さ 1180 m の穴 (サイト C0023) から収集された間隙水と固相のサンプルを調査します。 堆積物と地下の境界面での最大 120 °C の温度と高い熱流が、サイト C0023 の特徴となっています (参考文献 24)。 遠征の目的は、微生物の生命の温度限界を調査し、生物と非生物の領域を区別する地球化学的および微生物の特徴を特定することでした25。 溶存鉄は、火山灰層の量が多いことを特徴とする区間で主に検出されました（図1a）25。これは、火山灰が微生物の鉄の還元とFe（II）aqの放出を刺激する還元性ミネラルを提供していることを示唆しています。 火山灰層の役割と、深く熱い生物圏における生物地球化学プロセスにおける鉄相の利用可能性を評価するために、我々は、離散的な火山灰と周囲の泥岩サンプルで反応性鉄相の連続抽出を実行しました18,26。 サイト C0023 の堆積物はすでに固結している 25 ため、以下では「泥岩」という用語を使用します。 間隙水と抽出された鉄のδ56Fe 分析を組み合わせることで、もう 1 つの目的は、溶解および反応性固相鉄の同位体組成が微生物による鉄の還元を示すかどうかを解読することでした。 我々は、間隙水中の負の δ56Fe 値が微生物によって駆動されるプロセスの強力な根拠となるだろうと仮説を立てました。 しかし、我々は、微生物による鉄の還元のみによって引き起こされる可能性が低い、極めて低いδ56Fe間隙水値を発見した。 この発見の最も可能性の高い説明として、Fe(II)aq の Fe (オキシ水) 酸化物表面への吸着を含むレイリー蒸留モデルを紹介します。