地球表面2/3的面积为海洋所覆盖,全球海洋的平均深度为~3800 m(静水压力~38 MPa,相当于380 个大气压)。深海微生物广泛分布,包含了地球上~62%的生物圈。铁还原细菌多具有呼吸多样性和极强的环境适应能力,不仅在地球表面,在地球深部和深海环境中也广泛存在;它们广泛参与了深海铁元素的迁移、富集、转化和沉淀过程。然而,对于海洋细菌尤其是深海铁还原细菌,其在高静水压力下的铁还原和矿化行为尚缺乏实验研究,例如海洋铁还原细菌在高压下的铁还原速度和程度如何?其在高压下是否仍然可以诱导铁的矿化?如果是,高压下的诱导矿化产物又有何特征? 

　　针对以上科学问题,地质地球所地球深部结构与过程研究室、中-法生物矿化与纳米结构联合实验室博士研究生吴文芳及其导师潘永信研究员等,与上海交通大学王风平教授课题组合作,以一株分离自西太平洋深海沉积物(~ 2000 m水深)的铁还原细菌Shewanella piezotolerans WP3为研究对象,通过施加不同的静水压力(0.1 MPa, 5 MPa, 20 MPa 和50 MPa)模拟深海不同水深压力环境,综合利用透射电子显微镜(TEM)、粉晶X射线衍射(XRD)和室温-低温岩石磁学方法,研究了压力对WP3异化铁还原和矿化过程及产物的影响(图1)。实验结果显示,在高达50 MPa(相当于~5000 m水深)的静水压力下,铁还原细菌WP3仍可以利用水合氧化铁作为电子受体,将Fe(III)还原。从0.1 MPa到50 MPa,随着静水压力的增加,Fe(III)的还原速率减慢。TEM和XRD结果显示WP3在高静水压力下的矿化产物为纳米级的磁铁矿颗粒,粒径小于10 nm。随着压力升高,磁铁矿颗粒的粒径/结晶度略有增加。模拟实验暗示了铁还原细菌参与深海铁元素循环的潜在贡献,为进一步研究细菌参与海洋铁矿物形成,如前寒武纪条带状铁建造等提供了重要的数据基础。 

　　图1 深海铁还原细菌WP3在高压下的铁还原和矿化  

(a)WP3在0.1-50 MPa(相当于0-5000 m 水深)范围内均可以还原Fe(III) ,还原速率随压力升高而减慢;(b)4个压力下的矿化产物室温磁滞回线均呈S型,为超顺磁颗粒,且饱和磁化强度随压力升高而减小,反映了高压下WP3矿化速率减慢;(c)和(d)高分辨透射电镜、选区电子衍射结果显示50 MPa下矿化产物为结晶的纳米级磁铁矿。随着压力的增加,磁铁矿粒度增大和结晶度增强。