巴西砂岩洞穴中硅质洞穴沉积物的微生物群落特征及其生物地球化学意义

本研究针对石英岩洞穴中硅质洞穴沉积物（speleothems）的形成机制这一科学难题，通过宏微观特征分析，首次报道了巴西Botucatu组砂岩洞穴中硅质珊瑚状沉积物与微生物群落（包括硅藻和丝状微生物）的共生关系，揭示了生物膜通过调节局部pH值促进二氧化硅（SiO2）溶解-再沉淀的关键作用，为理解非碳酸盐岩洞穴生态系统提供了新视角，对Corumbataí地质公园的保护与可持续开发具有重要价值。

　　

在神秘的地下世界，砂岩洞穴一直被视为地质学的"冷门选手"。与广受关注的石灰岩洞穴相比，这些由石英颗粒构成的洞穴不仅数量稀少，其内部形成的次生矿物沉积（speleothems）更因二氧化硅（SiO₂）极低的溶解度而显得尤为珍贵。巴西Paraná盆地的Botucatu组砂岩洞穴群正是一个充满谜题的地质宝库——这里发育着独特的硅质珊瑚状沉积物，但其形成机制始终笼罩在迷雾中。更引人深思的是，在阳光难以触及的洞穴深处，这些矿物沉积中竟暗藏生命活动的痕迹。

为揭开这一地质-生物耦合作用的奥秘，来自巴西研究机构（根据CRediT署名推断为国内团队）的Cintia Fernandes Stumpf领衔的研究团队开展了一项开创性工作。他们选取Serra de Itaqueri地区被列为Corumbataí地质公园重要地质遗迹（geosite）的砂岩洞穴为研究对象，通过多尺度分析首次揭示了硅质洞穴沉积物与微生物群落的共生关系，相关成果发表在《Journal of South American Earth Sciences》上。

研究采用X射线衍射（XRD）和X射线荧光（XRF）分析矿物组成，结合立体显微镜和扫描电镜（SEM）观察微观形貌，并对生物组分进行系统鉴定。样本来自EGRIC团队2013年采集的PSP系列标本，包括Vista da Casa等洞穴的空中珊瑚状沉积物。

<材料与方法>
研究选取PSP-04、PSP-05和PSP-11三个典型样本，通过环氧树脂加固后制备纵、横切面薄片。矿物学分析显示沉积物以蛋白石（opal-A）为主，含碎屑石英颗粒；XRF证实其硅质本质（SiO₂含量>90%）。

<形态学特征>
立体显微镜下可见典型的凸层状分支结构，SEM则揭示出两类关键生物组分：1）可能源自真菌或蓝藻的丝状微生物；2）包括Orthoseira sp.和Gen. 1 sp.1两种中心纲硅藻在内的微体生物群落。值得注意的是，硅藻仅分布于有光区（photic zone）和微光区（twilight zone），而丝状体在无光环境亦有分布。

<形成机制>
研究提出生物膜通过代谢活动升高局部pH值，促进硅质溶解-再沉淀的"生物助推"模型。这种机制在石英砂岩这类难溶基质中尤为关键，解释了为何在非碳酸盐岩洞穴中也能形成复杂沉积结构。

结论部分强调，这是首次在圣保罗州砂岩洞穴中记录到硅质沉积物与微生物的共生关系。发现的两类硅藻形态型（中心纲和可能的羽纹纲）及丝状微生物，为理解洞穴生态系统的能量流动提供了新线索。更深远的意义在于，这些发现确立了Serra de Itaqueri洞穴群作为研究古环境变迁、极端环境生态和地质保护的"天然实验室"地位。研究团队特别指出，随着Corumbataí地质公园建设的推进，这类跨学科研究将为平衡科学保护与可持续开发提供关键科学依据。

该研究的创新性体现在三方面：首先，拓展了硅质洞穴沉积物的生物成因理论；其次，建立了石英砂岩洞穴中"矿物-微生物"互作的新范例；最后，为全球类似地质背景区的保护策略制定提供了巴西案例。正如作者所言，这些隐藏在砂岩洞穴中的微观生命，正在改写我们对地下世界认知的边界。