深海碳库，地球气候的“保险箱”，揭秘深海沉积物中的碳秘密
这些碳主要通过有机碳分子被黏土矿物、氧化铁等矿物表面吸附，形成稳定的复合物。有机碳与矿物在沉积过程中共同沉淀，被包裹在矿物晶格中。海洋生物将有机碳从表层水体输送到深海，通过生物沉降和分解过程，部分有机碳被埋藏在沉积物中。
在地质时间尺度上，沉积有机碳的埋藏速率对大气中氧气和二氧化碳的浓度有重大控制作用，因此对地球的环境条件有重大影响。在海洋沉积物中，约 20% 的有机碳直接与活性氧化铁结合。然而，海底沉积物中活性铁结合有机碳的命运及其对微生物的利用仍不确定。
为了研究这一点，Center for Marine Environmental Sciences, University of Bremen研究小组研究重建了南海北部两个沉积物岩的内部连续记录，这些沉积物覆盖了亚氧至破裂的生物地球化学区，最大年龄约为100,000年。
研究发现，在活化活化的硫酸盐-活化过渡带（SMTZ）中，FeR -OC（铁-有机碳复合物）在活化介导的铁还原过程中被重新活化，并被活化再矿化。其产生的能量足以支撑浓度约一米的 SMTZ 中相当一部分缩短了寿命。
SMTZ外，总有机中相对稳定的比例以FeR -OC（铁-有机碳复合物）的形式在降解除碳过程中存活下来，并在地质时期内储存在海洋沉积物中。这意味着，活化的第四纪海洋沉积物中FeR-OC的全球储量估计可能比大气碳库大18到45倍。
这篇文章的核心在于研究深海沉积物中的一种特殊物质——铁-有机碳复合物。这种复合物是由铁元素和有机碳结合而成的，在深海沉积物中具有很强的稳定性。
参考文献：Yunru Chen, Liang Dong, Weikang Sui, Mingyang Niu, Xingqian Cui, Kai-Uwe Hinrichs, Fengping Wang. Cycling and persistence of iron-bound organic carbon in subseafloor sediments. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-50578-5
一、什么是铁-有机碳复合物？
铁-有机碳复合物，这种复合物是由铁元素和有机碳结合而成的，在深海沉积物中具有很强的稳定性。铁-有机碳复合物就像是一把坚固的锁，将有机碳牢牢锁在深海沉积物中。将有机物分子包裹起来，使其无法逃脱。
二、为什么这种复合物能够将有机碳“锁住”这么久？
铁-有机碳复合物有机碳“锁住”这么久主要跟其自身特点息息相关。具体如下：
1. 化学键的牢固结合
- 配位键： 铁离子具有较强的配位能力，可以与有机物分子中的官能团（如羧基、羟基等）形成稳定的配位键。这种配位键使得铁和有机物紧密结合在一起，不易分离。
- 共价键： 在某些情况下，铁离子还可以与有机物分子中的碳原子形成共价键，进一步增强了复合物的稳定性。
2. 物理包覆
- 铁氧化物包裹： 铁氧化物（如赤铁矿、磁铁矿）可以像一个“笼子”一样，将有机物分子包裹在内部，使其与外界环境隔绝，从而减缓有机物的分解。
- 矿物晶格嵌入： 一些有机物分子可以嵌入到铁矿物的晶格结构中，形成更加稳定的复合物。
3. 微生物难以降解
- 结构稳定： 铁-有机碳复合物的结构非常稳定，微生物很难找到合适的位点进行降解。
- 微环境改变： 铁氧化物的存在可以改变局部微环境的pH值、氧化还原电位等，抑制微生物的活性，从而减缓有机物的分解。
4. 深海环境的保护
- 低温高压： 深海环境的低温高压条件，使得有机物的分解速率大大降低。
- 缺氧环境： 深海沉积物中往往处于缺氧或厌氧状态，这不利于需氧微生物的生长，从而延长了有机物的保存时间。
正是由于以上这些原因，铁-有机碳复合物才能够在深海沉积物中长期存在，成为深海碳库的重要组成部分。这种复合物就像是一个“时间胶囊”，将古代有机碳“封存”起来，为我们研究地球气候变化提供了宝贵的线索。
三、为什么深海沉积物中的铁和有机碳会结合在一起？
深海沉积物是深海海底堆积的各种松散物质的总称。这些物质可以来自陆地，比如河流携带的泥沙、风吹来的尘埃，也可以来自海洋本身，比如海洋生物的遗骸、火山灰等。随着时间的推移，这些物质一层层地堆积在海底，形成了厚厚的沉积层。
深海沉积物的形成是一个漫长的过程，主要来源于陆源物质、生物来源、火山活动等：
- 陆源物质： 河流是将陆地上的泥沙、矿物颗粒等搬运到海洋的主要“搬运工”。这些物质在河流入海口附近沉积下来，或者被洋流带到更远的深海。
- 生物来源： 海洋生物死亡后，它们的壳体、骨骼等会沉到海底，形成生物沉积物。例如，有孔虫、放射虫等微小的海洋生物的壳体可以形成硅质或钙质的沉积物。
- 火山活动： 海底火山喷发产生的火山灰、熔岩等物质也会沉积在海底，形成火山碎屑沉积物。
深海沉积物中铁和有机碳的结合是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。铁氧化物具有吸附作用，深海沉积物中普遍存在铁氧化物，如赤铁矿、磁铁矿等。这些铁氧化物表面具有较强的吸附能力，可以吸附有机分子，形成铁-有机物复合物。当铁氧化物在海底形成时，有机物分子可能被包裹在其中，形成共沉淀物。海洋生物在死亡分解的过程中，会释放出有机物，这些有机物与海水中的铁离子发生反应，形成有机-金属络合物。深海沉积物中往往处于缺氧或厌氧状态，这种还原环境有利于铁离子和有机物的结合。
铁-有机碳复合物， 这种复合物将有机碳“锁”在深海沉积物中，形成了一个巨大的碳库，对全球碳循环具有重要影响。深海碳库的变化会影响大气中的二氧化碳浓度，从而影响全球气候。深海沉积物中的铁-有机碳复合物可以为我们提供有关地球历史气候变化的信息。
铁-有机碳复合物很稳定，但是影响铁-有机碳复合物稳定性的因素有哪些呢？是不是一个值得思考的问题？
申明：内容来源于海洋资源ocean-resource创作，未经允许，不得转载，海洋资源ocean-resource保留追究法律责任的权利。