海底基岩风化环境砷的生物地球化学循环研究：以菲律宾海盆中央裂谷区为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 杨亚丽2
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| 答辩日期 | 2023-05 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院深海科学与工程研究所 |
| 导师 | 李季伟 |
| 关键词 | 深海沉积环境 砷 超微铁锰结核 生物地球化学循环 |
| 学位名称 | 理学硕士 |
| 学位专业 | 海洋地质 |
| 英文摘要 | 本文以西菲律宾海盆中央裂谷区粘土沉积物、硅藻软泥为研究对象，进行了矿物学、地球化学和地质微生物学的交叉研究。通过分析海底基岩风化区的粘土沉积物的含砷矿物组成及来源，总结砷元素在该环境下的分布规律，并基于微生物宏基因组学分析探讨了微生物在砷的迁移转化过程中的作用，提出了深海基岩风化环境下砷的生物地球化学循环模型。 矿物学鉴定结果显示，研究区粘土沉积物主要由绿泥石、辉石、斜长石、云母、角闪石等矿物组成，结合微量元素特征，推测其主要为中央裂谷海底基岩风化的产物。同时，沉积物样本中还发现较丰富的超微铁锰结核。而硅藻泥则为硅藻骨骼占比99%以上的灰白色软泥，代表以生物沉积为主的正常深海沉积环境。地球化学分析表明，来自基岩风化的粘土沉积物总砷含量为18.42±1.40 mg/kg（n=50），硅藻软泥砷含量为1.16±0.16 mg/kg（n=13），说明体量巨大的洋底基岩风化产物可能是深海沉积环境中的主要砷源之一。 通过分步提取发现砷在粘土沉积物中以表层吸附态、铁铝锰氧化物结合态、硅酸盐矿物结合态为主。相关性分析表明强吸附态砷（r=0.72, p≤0.01）与无定形铁铝锰氧化物结合态砷（r=0.75, p≤0.01）都和粘土总砷具有显著的线性正相关性。同时，对粘土中的超微铁锰结核进行激光剥蚀线扫描发现，其砷浓度为48.1-74.3 mg/kg，又显著高于粘土沉积物砷含量，说明超微铁锰结核中对周边沉积物中的砷具有明显的富集作用。单独挑出超微铁锰结核测得其砷浓度为24.4 mg/kg，每粒超微铁锰结核中约含砷3.7×10-4μg。结合前人研究推测富氧远洋粘土中赋存于超微铁锰结核中的砷含量为37.0-370.4mg/cm3，全球含氧海底沉积物中的超微铁锰结核砷含量为5.6-32.6×1015kg。超微铁锰结核可能是海底沉积环境的重要砷汇。 宏基因组学分析发现，粘土沉积物的微生物主要由α-Proteobacteria、γ-Proteobacteria、β-Proteobacteria、Actinobacteria和Thaumarchaeota等组成。在深海粘土样本中检测到砷代谢相关功能基因有arsC、ACR3、aoxA、aoxB、arxA、arsM、arsA、arsR和arsH，且其中砷还原相关功能基因（arsC、ACR3）相对丰度高于砷氧化相关功能基因（aoxA、aoxB、arxA）。这些结果说明在海底基岩风化沉积环境中微生物具有通过控制砷氧化还原反应进而参与砷迁移转化的潜能。根据高质量Bin的物种注释，注释为γ-Proteobacteria、α-Proteobacteria、Actinobacteria和Thaumarchaeota的bin都含arsC基因，这些物种也是粘土沉积物中的主要微生物组成。对arsC基因序列进行了系统发育分析，结果表明粘土沉积物中S5 bin1、S6 bin22、S7 bin43、S11 bin8的arsC基因均与γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria)的假单胞菌属（Pseudomonas）进化关系最近，说明Pseudomonas可能是粘土沉积物中主要产生砷酸盐还原酶的微生物，它能将粘土沉积物中的As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ)，增加砷的迁移能力，使砷从玄武岩风化产物进入海水或间隙水中，再在沉积表层的偏氧化环境下受地球化学因素或微生物影响进行氧化作用富集于超微铁锰结核中。综合矿物学、地球化学和分子生物学分析，本文进一步构建了深海基岩裸露环境下砷的生物地球化学循环模型。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.idsse.ac.cn/handle/183446/10284]  |
| 专题 | 深海科学研究部_深海地质与地球化学研究室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院深海科学与工程研究所 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨亚丽. 海底基岩风化环境砷的生物地球化学循环研究：以菲律宾海盆中央裂谷区为例[D]. 中国科学院深海科学与工程研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：深海科学与工程研究所
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