海洋所發(fā)現(xiàn)超酸性火山-熱液系統(tǒng)富含氫氣且孕育化能生態(tài)系統(tǒng)
近日,國際學(xué)術(shù)期刊《Journal of Geophysical Research: Oceans》以封面文章形式報(bào)道了中科院海洋所在西太平洋馬努斯弧后盆地的最新研究成果??蒲腥藛T通過在超酸性火山-熱液系統(tǒng)開展原位綜合定量探測(cè)和微生物組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)在全球廣泛分布的火山-熱液系統(tǒng)中富含氫氣,并且孕育了可利用氫氣的微生物群落。

“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV開展激光拉曼綜合原位探測(cè)
深?;鹕?/span>-熱液系統(tǒng)主要由海底巖漿揮發(fā)性氣體與海水直接混合或者海底火山爆發(fā)形成,是一種典型的“白煙囪”,并在全球分布廣泛。與此同時(shí),火山-熱液系統(tǒng)也孕育了獨(dú)特的生物群落,但是其生物的代謝過程與流體之間的關(guān)系尚不明確,而傳統(tǒng)“先取樣后常溫常壓的分析”方式會(huì)造成熱液流體組分和參數(shù)發(fā)生明顯變化,因此開展原位探測(cè),獲取流體的原位參數(shù)是研究二者關(guān)系的重要保障。
因此,海洋所張?chǎng)窝芯繂T團(tuán)隊(duì)和孫黎研究員團(tuán)隊(duì)開展合作,以西太平洋馬努斯弧后盆地DESMOS火山口發(fā)育的火山-熱液系統(tǒng)為研究靶區(qū),利用“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV在該火山口的Onsen噴口區(qū)和航次中新發(fā)現(xiàn)的Faxian溢流區(qū)分別開展了原位拉曼綜合探測(cè)以及流體和生物的保真取樣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)由安山巖組成的Onsen區(qū)域形成的超酸性(pH:2.17)高溫流體含有大量H2(8.56 mmol/kg)。而同一火山口的Faxian溢流區(qū)的中性低溫流體卻不含H2而富含H2S(7.78 mmol/kg)。針對(duì)這一特殊現(xiàn)象,研究團(tuán)隊(duì)基于上述原位定量結(jié)果和熱力學(xué)模擬計(jì)算,認(rèn)為兩個(gè)區(qū)域由于海水混合程度的差異發(fā)生了不同的流體-巖石相互作用。通過進(jìn)一步對(duì)Onsen和Faxian的樣品進(jìn)行微生物組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)Onsen和Faxian存在不同的微生物群落,Onsen區(qū)域的微生物可以利用氫氣,而在Faxian區(qū)域微生物主要以氧化硫化氫作為能量來源。這些結(jié)果表明,在火山熱液系統(tǒng),即便是同一巖漿來源的流體也會(huì)孕育不同的微生物群落。
西太平洋馬努斯弧后盆地DESMOS火山口

基于“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV在Onsen和Faxian區(qū)域開展綜合原位探測(cè)

Onsen和Faxian兩個(gè)區(qū)域的微生物組學(xué)分析結(jié)果

DESMOS火山-熱液系統(tǒng)的流體活動(dòng)和生物代謝模式圖
上述研究發(fā)揮了深海激光拉曼原位定量探測(cè)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了海洋探測(cè)技術(shù)、海洋地質(zhì)學(xué)、海洋生物學(xué)的交叉融合。本航次基于激光拉曼原位定量探測(cè)技術(shù),首次報(bào)道了火山作用主導(dǎo)的超酸性火山-熱液系統(tǒng)的氫氣濃度可達(dá)到毫摩爾級(jí),并為其孕育的化能生態(tài)系統(tǒng)提供了重要的物質(zhì)來源。以往富氫氣流體(毫摩爾級(jí))主要是由超基性巖和基性巖發(fā)生蛇紋石化反應(yīng)形成。大西洋“Lost City”堿性熱液系統(tǒng)(流體pH:9~11)由于蛇紋石化反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣(1~15 mmol/kg),為早期生命提供了重要場(chǎng)所,但是全球堿性熱液系統(tǒng)目前只有“Lost City”一處,不具有普適性。而地球早期海底火山作用頻繁,孕育了廣泛分布的酸性火山-熱液系統(tǒng),該研究對(duì)我們探索生命起源具有重要的啟示意義。
中科院海洋所特別研究助理席世川和副研究員孫慶磊為文章共同第一作者,張?chǎng)窝芯繂T為文章通訊作者,合作作者包括欒振東正高級(jí)工程師、杜增豐副研究員、李連福特別研究助理、南方科技大學(xué)黃瑞芳博士。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助,以及“科學(xué)”號(hào)、“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV運(yùn)維團(tuán)隊(duì)的支持。
相關(guān)成果及鏈接如下:
Xi, S., Sun, Q., Huang, R., Luan, Z., Du, Z., Li, L., & Zhang, X*. (2023). Different magmatic–hydrothermal fluid components support distinct microbial communities: evidence from in situ detection. Journal of Geophysical Research-Oceans, 128, e2023JC019703. https://doi.org/10.1029/2023JC019703
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