硅对太古宙海洋中铁循环过程中矿物形成的调控作用：蓝藻与铁还原菌协同作用的实验证据

本研究通过模拟太古宙海洋环境，探究了硅浓度对蓝藻（Synechococcus PCC7002）和铁还原菌（Shewanella colwelliana）介导的铁循环及矿物转化的影响。实验表明，硅的存在显著提高了铁氧化还原速率，促进了高结晶度铁矿物（如针铁矿、纤铁矿）及铁硅酸盐的形成，为理解条带状铁建造（BIF）的成因提供了关键实验依据。

　　

数十亿年前的太古宙海洋，曾是一片铁与硅共舞的化学乐园。这里孕育了地球上最早的生命，也埋藏着被称为"条带状铁建造（BIF）"的神秘岩层——这些红黑相间的条纹岩石，记录着早期地球氧气革命的密码。然而，科学家们长期被一个关键问题困扰：在原始海洋高硅环境下，微生物如何驱动铁元素的氧化还原循环，最终形成这些独特矿物？

加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）的研究团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表的研究给出了重要答案。研究人员设计了三轮氧化-还原循环实验，模拟太古宙海洋中铁的动态循环过程。通过控制不同硅浓度（0-2.2 mM）和铁浓度（0.5-5 mM），结合同步辐射X射线衍射（μXRD）和⁵⁷Fe穆斯堡尔谱等先进技术，首次系统揭示了硅对微生物铁循环的调控机制。

关键技术包括：1）建立蓝藻与铁还原菌共培养体系模拟古海洋微生物群落；2）采用光学氧传感器实时监测氧化还原动态；3）运用μXRD和穆斯堡尔谱解析矿物晶体结构；4）通过扫描电镜-能谱（SEM-EDS）观察细胞-矿物相互作用。

硅对低铁浓度下铁循环的影响
在0.5 mM Fe(II)条件下，2.2 mM硅使Fe(II)氧化不完全（仅90%），却显著提高Fe(III)还原速率（12 μM/天）。μXRD显示无硅组主要形成非晶态铁氧化物，而高硅组出现纤铁矿（lepidocrocite）和蓝铁矿（vivianite）的衍射峰。

高铁浓度下的矿物转化
当Fe(II)升至2.5 mM时，高硅环境促使矿物结晶度显著提升。穆斯堡尔谱在5 K下检测到占总量59.5%的有序六线谱，对应针铁矿（goethite）特征。SEM显示高硅组矿物呈30 μm的板状结构，EDS证实铁硅共沉淀现象。

硅的双重调控作用
研究发现硅既能通过形成Fe(II)-硅酸盐保护蓝藻免受铁毒性，又能促进Fe(III)还原菌活性。这种协同作用导致矿物呈现平均氧化态+2.4的特征——与天然BIF（Fe(II)/Fe(III)≈0.6）高度吻合。

这项研究颠覆了传统认知：过去认为硅会抑制矿物结晶，但实验证明高硅环境反而促进结晶态铁矿物形成。这为解释BIF中硅铁交替条带的成因提供了新视角——微生物驱动的铁循环在硅调控下，既可形成非晶态铁硅凝胶（原始铁层），又能生成结晶良好的铁氧化物（原始硅层前体）。研究还指出，早期海洋中广泛存在的Fe(II)-硅酸盐可能仅在短暂地质时间尺度上稳定，这解释了为何现代BIF中少见此类矿物保存。

该成果不仅完善了地球早期氧化的理论模型，更启示我们：在寻找地外生命迹象时，铁硅矿物的特定组合可能成为判断远古微生物活动的"分子化石"。正如研究者强调的："30亿年前的海洋化学指纹，正通过微生物与矿物的共舞被重新解码。"