Evaporative silicification in floating microbial mats: patterns of oxygen production and preservation potential in silica-undersaturated streams, El Tatio, Chile  

漂浮微生物墊中的蒸發(fā)硅化：二氧化硅不飽和流中的產(chǎn)氧模式和保存潛力，智利El Tatio

來源：Geobiology, Volume 20, 2022, Pages 310-330

《地球生物學(xué)》第20卷，2022年，310-330頁

 

摘要內(nèi)容  

本研究以智利El Tatio熱泉區(qū)的漂浮微生物席為對象，探究硅不飽和溪流（溶解SiO?<150 ppm）中蒸發(fā)驅(qū)動的硅化機(jī)制及其對微生物功能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：  

微生物席表面形成脆性硅殼（厚約1 mm），保留完好的絲狀微生物結(jié)構(gòu)（主要為藍(lán)藻）。  

 

硅殼通過減弱光照抑制席內(nèi)產(chǎn)氧光合作用，使硅殼下溶解氧濃度降低80%，pH值下降（圖7-8）。  

 

 

 

蒸發(fā)與夜間冷卻共同驅(qū)動硅沉淀，但低硅濃度（102-140 ppm）限制硅質(zhì)沉積物的長期保存（圖4,9）。  

 

 

 

硅化微生物的保存潛力取決于水體硅濃度：>200 ppm SiO?可形成持久硅質(zhì)泉華，<150 ppm僅形成易碎硅殼（圖9）。  

 

研究目的  

揭示硅不飽和熱泉溪流中微生物席硅化的物理-生物耦合機(jī)制。  

 

量化硅殼對微生物光合作用及代謝的抑制效應(yīng)。  

 

評估低硅環(huán)境下微生物結(jié)構(gòu)的保存潛力及其地質(zhì)記錄意義。  

 

研究思路  

野外采樣：  

 

智利El Tatio熱泉區(qū)兩條溪流（Vicuna Stream和Middle Basin Springs）的漂浮微生物席（圖1-2）。  

 

 

 

區(qū)分不同硅化程度的席區(qū)域：無殼橄欖色席、硅殼覆蓋席、暗綠色邊緣席（圖5）。  

 

原位監(jiān)測：  

 

環(huán)境參數(shù)：溫度、濕度、光照強(qiáng)度（圖3）、SiO?濃度（圖4）。  

 

溶解氧（O?）和pH微剖面：Unisense微電極（50 μm尖端）垂直測量席內(nèi)梯度（圖7-8）。  

實(shí)驗(yàn)室分析：  

 

掃描電鏡（SEM）觀察硅殼微觀結(jié)構(gòu)與微生物保存（圖6）。  

 

 

DNA測序解析微生物群落組成。  

 

X射線能譜（EDS）分析硅殼元素組成。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義  

環(huán)境參數(shù)動態(tài)（圖3）：  

 

數(shù)據(jù)：晝夜溫度（-5至25℃）、濕度（30%-78%）、光照強(qiáng)度（0-80,000 lux）。  

 

意義：證實(shí)蒸發(fā)高峰在低濕度（20%-30%）與強(qiáng)風(fēng)速（5 m/s）的午后，驅(qū)動硅沉淀。  

SiO?濃度剖面（圖4）：  

 

數(shù)據(jù)：溪流SiO?濃度（102-140 ppm）低于硅飽和閾值（150-175 ppm）。  

 

意義：解釋硅殼脆性成因，揭示低硅環(huán)境無法形成持久泉華。  

微生物席表面特征（圖5）：  

 

數(shù)據(jù)：橄欖色席硅殼覆蓋率（10%-75%），暗綠色邊緣無硅殼。  

 

意義：硅化空間異質(zhì)性與蒸發(fā)暴露程度直接相關(guān)。  

溶解氧與pH微剖面（圖7-8）：  

 

數(shù)據(jù)：硅殼下最大O?濃度≤0.4 mM（無殼席：>1.2 mM），pH峰值≤7.8（無殼席：8.8-10.2）。  

 

意義：量化硅殼遮光效應(yīng)導(dǎo)致的光合作用抑制。  

硅殼微觀結(jié)構(gòu)（圖6）：  

 

數(shù)據(jù)：硅殼分層保存絲狀藍(lán)藻（寬5-10 μm）和桿狀菌（2-4 μm）。  

 

意義：證實(shí)蒸發(fā)硅化可保存微生物形態(tài)，但低硅濃度限制成巖作用。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

高分辨率生理過程解析：  

 

微電極以毫米級分辨率（1 mm步長）捕獲席內(nèi)O?和pH梯度（圖7-8），揭示硅殼下光合作用受抑（O?峰值降80%），證實(shí)硅化對微生物代謝的負(fù)反饋效應(yīng)。  

硅化-代謝耦合機(jī)制驗(yàn)證：  

 

對比硅殼覆蓋區(qū)與無殼區(qū)的O?/pH剖面（圖8c），證明硅殼遮光導(dǎo)致光合作用減弱，進(jìn)而降低席內(nèi)pH（7.5 vs 8.8），減少硅溶解度抑制因子（高pH增溶硅），促進(jìn)硅沉淀。  

生態(tài)功能定量評估：  

 

測量硅殼下PAR（光合有效輻射）<0.64 lux（表面80,000 lux），結(jié)合溫度數(shù)據(jù)（>30℃），驗(yàn)證高溫弱光條件對藍(lán)藻光合的協(xié)同抑制（文獻(xiàn)支持：Epping & Kuhl 2000）。  

 

結(jié)論  

硅化機(jī)制：蒸發(fā)是硅沉淀主控因素，夜間冷卻輔助硅飽和；硅殼形成需反復(fù)干濕循環(huán)（非連續(xù)浸泡）。  

 

代謝抑制：硅殼遮光降低席內(nèi)光合效率，O?產(chǎn)量降80%，形成“硅化-低光合-硅沉淀”負(fù)反饋循環(huán)。  

 

保存潛力：  

 

保存窗口：硅濃度>200 ppm可形成持久泉華（如Octopus Spring），<150 ppm僅存脆性硅殼（圖9）。  

 

形態(tài)保存：硅殼可保存絲狀藍(lán)藻和桿狀菌形態(tài)（圖6），但低硅濃度限制成巖潛力，難形成地質(zhì)記錄中的硅化微生物席。