酸性热泉与泥浆沉积物的碳氮同位素组成作为生物标志物的评估研究

本研究针对 hydrothermal（热液）环境中 bulk δ13C 和 δ15N 作为 biosignatures（生物标志物）的适用性问题，通过分析冰岛与美国酸性热泉及泥浆沉积物的同位素组成，揭示了微生物活动与外来有机质输入的差异性特征。结果表明，δ13C 能有效区分 thermophile（嗜热菌）活动与植物来源碳，而 δ15N 因多源重叠受限。该研究为早期地球及火星生命探测提供了关键方法学参考。

　　

在地球生命起源的研究中，hydrothermal（热液）系统被认为是潜在的摇篮，但如何区分其中生物与非生物过程形成的有机质仍是一大挑战。碳（C）和氮（N）稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N）作为传统 biosignatures（生物标志物），在 hydrothermal 环境中的应用却长期被忽视。这一问题对理解早期地球生命演化及火星有机质起源至关重要。为此，由 Anna Szynkiewicz 团队在《Journal of Volcanology and Geothermal Research》发表的研究，通过分析冰岛（Námafjall、Krysuvík、Hveragerdi）与美国（Lassen、Yellowstone、Valles Caldera）酸性热泉及泥浆沉积物的同位素组成，揭示了这些环境中的生物地球化学指纹。

研究采用 bulk δ¹³C 和 δ¹⁵N 分析技术，结合 C/N 浓度测定，对 2016 年（冰岛）和 2018 年（美国）采集的沉积物样本进行系统检测。通过对比 barren（贫瘠）的冰岛站点与 forested（森林覆盖）的美国站点数据，结合非热液端元样本（如植物、火山气体）的参照分析，明确了同位素分馏与生物活动的关联性。

Geologic & environmental setting
研究区域均为火山活动驱动的酸性热液系统，pH 低（排除碳酸盐干扰），模拟早期地球环境。冰岛站点以高温 fumaroles（喷气孔）为主，美国站点则富含植被输入，为对比微生物与植物贡献提供了理想条件。

C isotope biosignatures in acidic hydrothermal sediments
冰岛沉积物的 δ¹³C 值（?25.6 至 ?14.5‰）显著高于美国（?26.5 至 ?21.0‰），对应更低的 C 浓度（0.13–0.55 wt% vs. 美国 0.04–4.78 wt%）。这种差异归因于冰岛 thermophiles 的较小同位素分馏（ε <1–30‰），而美国的负偏 δ¹³C 反映 allochthonous（外来）植物碳输入。

Conclusion
研究表明，bulk δ¹³C 在 carbonate-depleted（缺乏碳酸盐）的酸性热液环境中能有效标识微生物活动，但需结合无机碳库的 δ¹³C 背景值。δ¹⁵N（?18.4 至 +3.7‰）因火山气体、植物与微生物信号重叠而鉴别力有限。该成果为火星 Gale 陨石坑等地的有机质起源研究提供了方法学框架，强调需多指标联用以排除 abiotic（非生物）过程的干扰。

重要意义
该研究首次系统评估了酸性热液环境中 bulk 同位素的生物标识潜力，填补了 hydrothermal 系统与天体生物学研究的空白。通过明确 δ¹³C 的“微生物阈值”，为解读火星古老沉积物中的有机信号（如 Stern et al. 2022 报道的 ?23‰ 值）提供了地球类比依据，推动了对地外生命探测策略的优化。