典型硅酸盐矿物—硅藻的界面作用及其对海洋生物泵的影响

【作者】 刘冬； 李梦圆； 余荣达； 沈宇果； 王旭； 刘浩；

【机构】 中国科学院广州地球化学研究所中国科学院矿物学与成矿学重点实验室广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室； 中国科学院大学；

【摘要】 风尘输入是远洋生物营养供给的主要来源之一,对于硅藻等海洋浮游生物的生长具有重要作用。以南大洋为例,每年季风带来的风尘可提供丰富的无机营养(如硅、铁等),促进硅藻勃发,并影响全球海洋碳等关键元素的生物地球化学循环。风尘中含有大量硅酸盐矿物(如蒙脱石、高岭石、伊利石、云母等),然而,这些矿物在风尘输入过程中与硅藻的相互作用及其对硅藻活性和生物泵的影响等尚不清楚,严重制约了我们对硅藻固碳效应及海洋碳循环的深入认识。本研究选取了典型硅酸盐矿物和几种硅藻为研究对象,通过实验室模拟,探索风尘中常见次生矿物,如蒙脱石、伊利石、高岭石等和黑云母、橄榄石等原生矿物与硅藻的界面作用及其对硅藻固碳的影响。结果表明:在寡营养条件(缺乏硅、铁等),硅藻对上述矿物起到强烈的生物风化作用,破坏其结构并释放出硅、铁等营养元素。因此,这些矿物施加可提升硅藻活性——叶绿素a浓度增大且硅藻生殖率提高。具有相同添加量时,含铁矿物(如黑云母和橄榄石等)对硅藻活性和生殖能力的促进效果较好;不含铁的高岭石最差。这主要是由于矿物中铁的释放有助于激发硅藻生命活性,而高岭石基本不含铁元素且在上述矿物中稳定性最高,因此无机营养的供给能力最弱。矿物受硅藻破坏的程度存在差异,橄榄石更易于被破坏,并且经研磨后的矿物活性更高,易受硅藻生物作用发生溶蚀等。黏土矿物被破坏释放出的铝元素部分为硅藻所吸收,剩余形成胶体或颗粒,悬浮于水体或形成沉淀。硅藻吸收的铝可赋存于其硅质壳体中,从而降低壳体的溶解度和机械强度。另一方面,矿物添加均提升了硅藻壳体的压舱效果,显著提高了颗粒有机碳的沉降速度,可封存更多有机碳。上述结果表明,风尘中的矿物基于矿物-生物界面作用,可为硅藻提供有效的无机营养,促使硅藻勃发,并通过增强"施肥"和"压舱"等作用提升其固碳能力和提高海洋生物泵的效率。这些结果不仅有助于明确风尘对海洋碳循环的作用机制,还将为基于生物泵的海洋负排放方法的建立提供理论和数据支持。更多还原