广州海洋局揭示微生物作用驱动深海稀土富集机制

　　近日，国际著名地学期刊《Communications Earth & Environment》（自然旗下期刊）以“Microbial iron cycling illuminates the biological contribution and potential climate drivers of deep-sea rare earth element enrichment”（微生物铁循环揭示深海稀土元素富集的生物贡献及潜在气候驱动因素）为题，在线发表了广州海洋地质调查局邓义楠团队关于深海稀土元素富集机制的最新研究成果。研究通过多学科综合分析，初步定量揭示了微生物铁循环在促进稀土元素向孔隙水释放及最终富集于磷灰石中的关键作用，并指出中中新世气候转型等全球气温波动事件可能通过增强海洋生产力驱动这一过程。

　　深海稀土元素（REY）作为关键战略资源和古环境指标，其富集机制对资源勘探和地球系统演化研究具有重要意义。当前研究多关注驱动深海REY富集的无机地球化学过程，而对微生物介导的生物地球化学循环及其气候驱动因素的认识仍明显不足。西北太平洋皮嘉费他盆地（Pigafetta Basin）的富REY沉积物为破解这一难题提供了理想载体。

图1. Pigafetta盆地深海沉积物的地球化学特征。(a) GC112岩心中元素浓度、总有机碳、磁化率和铁同位素比值的垂向变化。浅蓝色阴影区表示富稀土元素层（ΣREY>700 mg kg^-1），同时展示了GC18岩心数据（与GC112站位相同且REY富集层位定年在11.8-13 Ma; 灰色空心方块）。(b,c) ΣREY与Fe-Mn(b)及与P-Ca(c)的相关性散点图。本研究数据（实心方块）与文献汇编数据（空心圆圈）均被绘制展示。(d) GC112岩心富REY层位的稀土配分模式，采用后太古代澳大利亚页岩（PAAS）和Pr进行标准化。为对比分析，同时展示了典型热液流体、海水及各类孔隙水的配分模式。(e)富REY层位的铁相态分布（n=3），误差棒表示分析精度。

　　本研究以西北太平洋深海沉积岩芯GC112（水深约5700米）为研究对象，整合了地球化学、环境磁学和显微技术等多学科手段，重点聚焦微生物铁循环及其标志性矿物—生物成因磁铁矿。研究发现，富REY层段（年龄约11.8-13 Ma）中稀土总量（ΣREY）高达2300 mg/kg，且与磷、钙含量呈显著正相关（R²≥0.96），暗示磷灰石是REY的主要宿主。同时，该层段出现质量磁化率升高、铁同位素相对负偏（δ⁵⁶Fe低至–0.08‰）等特征，结合高温-室温-低温全温段磁学分析和透射电镜观测，确认了单畴（SD; 粒径25-80 nm）和超顺磁（SP; 粒径<25 nm）生物成因磁铁矿的存在，其占比至少可达总磁铁矿的75.7%。

图2. 富REY样品的磁学特性。(a)温度依赖性磁化率（κ-T）加热曲线，(b)一阶反转曲线（FORC），(c)零场（ZFC）和有场（FC）冷却曲线，(d)磁滞回线，(e)富REY样品与背景样品的低温交流频率磁化率（AC曲线; 子图：最大归一化χfd与SP颗粒粒径关系图），(f)等温剩磁（IRM）矫顽力组分分析。

　　研究提出，微生物铁还原过程通过驱动铁（氢）氧化物的次生矿化（而非完全溶解），显著降低其比表面积，促使携带的REY通过晶格排斥作用释放至孔隙水，最终被生物磷灰石（图3f和3g）或自生磷灰石（图3d和3e）捕获。通过铁同位素混合模型和磁组分量化分析，估算微生物铁循环对REY富集的贡献率至少达17.6%。进一步结合年代学框架，发现REY富集期与中中新世气候转型（MMCT, 12.6-14.8 Ma）吻合。在此期间，全球变冷强化了赤道与极地间的温度梯度，增强了全球风场与上升流。由此带来的表层营养盐供应增加，显著提升了海洋表层初级生产力和向深海的有机质输送通量。这些环境条件对REY由水柱向沉积物-孔隙水系统的迁移具有积极影响，同时在表层沉积物中诱发的亚氧环境为微生物铁代谢创造了有利条件。

图3. 富REY沉积物中磁性颗粒与磷灰石的微观结构表征。(a-c)通过钕磁铁从富REY沉积物中提取的磁性颗粒透射电镜图像，对应选区电子衍射（SAED）图谱和能谱（EDS）分析结果以子图形式展示。图b为a中框选区域的高分辨率图像。(d, e)富REY层位全岩样品的扫描电镜图像，下方蓝色箭头标注为对应元素分布图。(f, g)富REY层位生物成因磷灰石（如，鱼齿化石）的扫描电镜图像，能谱点分析位置由红色靶标标记。

　　本研究首次系统揭示了微生物铁循环在深海REY富集中的定量贡献，建立了“气候-海洋生产力-微生物代谢-稀土成矿”的联动机制，为理解关键金属元素的生物地球化学循环及资源预测提供了新范式。

图4. 深海沉积物中微生物-铁循环介导的REY富集机制及其与新生代气候演化关系。(a)海洋沉积物中微生物铁代谢介导REY富集示意图。P-OM：含磷有机物。(b)极地-赤道间海表温差（ΔSST_L-H）与太平洋-大西洋有孔虫氮同位素差异（Δδ¹⁵N_P-A）的新生代演化及太平洋深海富REY沉积层年龄。误差棒代表测年不确定性。蓝色长箭头表示北半球与南半球冰盖扩张阶段。地质时代缩写：更新世（Ple）、上新世（Pli）、古新世（Pal）。

　　论文第一作者为广州海洋地质调查局博士后王鹏聪，通讯作者为广州海洋地质调查局邓义楠教授级高级工程师。研究涉及的地球化学分析和微观表征主要在广州海洋地质调查局实验测试研究所完成，全部磁学表征在中国地质大学（武汉）湖北关键带演化重点实验室完成。该项研究由国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国博士后面上基金项目、广东省基础与应用基础研究基金等联合资助。

　　文章信息：Pengcong Wang, Deng Liu, Peyman Babakhani, Mingyu Zhao, Yangtao Zhu, Jiayi Ma, Ganglan Zhang, Chutong Liu, Jun Cao, Fang Chen, Xiaoqiang Yang, Yinan Deng. Microbial iron cycling illuminates the biological contribution and potential climate drivers of deep-sea rare earth element enrichment. Communications Earth & Environment (2025). https://doi.org/10.1038/s43247-025-03100-8