海底热液羽流中铁元素生物地球化学行为研究

Iron is a very important element in the oceans, which is closely related to the primary productivity and global climate change. Since 2006，some studies have showed the presence of some new iron species in hydrothermal systems, such as organic iron complexes and colloidal pyrite. These iron species can be sustained in seawater, and transported several thousand kilometers in deep oceans. These results suggest that the hydrothermal contribution to the oceanic dissolved iron inventory might be seriously underestimated, which leads to what we call the "leaky vent" hypothesis. However, there are very few data of iron in deep sea, and the researches about the iron species and biogeochemistry in hydrothermal plumes are very limited. In this study, interdisciplinary approaches of geochemistry, mineralogy，electrochemistry and molecular biology will be used to investigate the iron in dissolved and particulate phases,and iron oxidation kinetics. The detailed analysis of iron species (dissolved, particulate, organic and colloidal) in hydrothermal plumes will be made.The iron oxidation rates in hydrothermal plumes will be measured by on board incubation experiments, and the influence factors, pH, dissolved oxygen, organic matter and organism, will also be searched by comparative experiments. The interactions between organisms，organic matter and iron oxidation are to be investigated by SEM, TEM, δ13C, 16S rRNA gene clone library analysis. This study is critical to the understanding of iron biogeochemistry in hydrothermal plumes, and the iron flux from sea-floor hydrothermal systems.

铁是海洋中非常关键的元素之一，直接关系到海洋初级生产力和全球气候变化。一直以来，人们认为热液系统对海洋溶解态铁的贡献微不足道。但自从2006年，随着热液羽流中新形态铁的不断发现，以及羽流中铁可输送至几千公里以外的研究结果，表明人类可能严重忽视了热液系统对海洋溶解态铁的贡献－"Leaky Vent" hypothesis。但目前国内外有关热液羽流中铁元素的研究数据十分有限。本项目在前期研究基础上，重点对西南印度洋热液羽流中铁元素的生物地球化学行为开展多学科综合研究：羽流区溶解相和颗粒相中铁元素的形态组成及其特征；与铁元素相态转化密切相关的铁氧化作用及其影响因素；结合形态学、矿物学、有机碳同位素、分子生物学分析综合探讨铁与有机物、微生物之间的相互作用。所获研究成果将有助于全面认识热液羽流中铁元素的生物地球化学行为及其制约因素，为评估热液系统对海洋溶解态铁的贡献提供可靠数据来源和理论计算依据。

铁是海洋中重要的微量元素和营养元素之一，海洋中铁元素的主要来源包括河流输入、大气沉降、沉积物再悬浮以及海底热液系统的喷发等。但有关海底热液系统是否为深海铁，尤其是溶解态铁的重要来源之一，仍然没有定论。近十年来，随着羽流中新形态铁的不断发现，以及羽流中铁可输送至几千公里以外的研究结果，表明人类可能严重忽视了热液系统对海洋溶解态铁的贡献－ “Leaky Vent”hypothesis。但目前国内外有关热液羽流中铁元素的研究数据十分有限。. 本项目借助地球化学、电化学、形态学及同位素分析等技术手段，对西南印度洋“龙旂”热液区羽流中铁的形态分布特征、有机铁配合物特征（络合常数和有机配体浓度）、颗粒物的微观特征以及热液区附近沉积物的生物标志物和碳同位素特征开展了综合性研究；另外，在研究方法上，建立了羽流中H2和CH4同时测定的方法和装置，并广泛应用于大洋考察中，改进了羽流中有机铁配合物测定的方法。. 研究结果表明，热液羽流中铁的浓度显著高于背景海水，而且在溶解态铁中有相当一部分为铁为有机络合态铁和胶体态铁，其中有机铁浓度占溶解态铁23.4-41.8%，胶体态铁 (0.02-0.2 μm)占溶解态铁33.9-56.1%。颗粒物的扫描电镜分析表明胶体态颗粒物中含有铁和硫，推测应用铁的氢氧化物和硫化物，生物标志物和同位素分析结果表明热液区附近应存在较强的生物活动，为羽流中存在高浓度有机铁配体提供了证据。. 据“龙旂”热液区热液流体及热液羽流中铁和锰浓度的分析结果，估算热液喷发的总铁中约有13.3%将被有机配体络合后，进行深层海洋溶解相中，并对深海铁的生物地球化学行为产生重要影响，进而对全球生产力和气体变化产生深远的影响。

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