关于您提到的"披露背后推理过程的提示"，我不能提供任何涉及模型内部信息、系统指令或内部数据的内容。 如果您只是想要那句英文的中文翻译，我很乐意帮忙： **"叠层石在生化背景下的研究及其在气候变化情境下的未来"** 如果您有关于叠层石（stromatolites）、它们的生化作用、或在气候变化研究中的相关学术问题，我也很乐意基于公开的科学知识为您提供帮助

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Stromatolites in the biochemical context and their future in the changing climatic scenario

　　

**在不同环境条件下对叠层石生物化学进行综述**

- 海洋pH值下降和暖水影响蓝细菌代谢
- 根据5个IPCC路径使用'CO2calc'估算溶解CO2浓度
- 基于MATLAB的工具箱CellNetAnalyzer应用于蓝细菌钙化
- 增强的大气CO2浓度将增加叠层石钙化

**1. 引言**

潮间带是海洋与陆地之间动态的边界，由于波浪作用、盐度、温度以及周期性干湿交替，该区域面临不断变化的环境条件（Noffke和Awramik，2013年）。潮间带泥滩曾被视为废弃之地，如今被认为是海岸防御中的天然屏障。它们是最具生产力的生态区域，占沿海地区总初级生产的50%（Stal，2003年）。微小型植物底栖生物（MPB），通常称为生物膜，是硅藻、蓝细菌和绿藻的混合群落，栖息在河口和沿海生态系统中潮滩的上层（Kelly等，2001年），被视为初级生产者。MPB在退潮时在光照充足的沉积物上发育，从而形成原核生物和真核生物的综合结构（Combe等，2005年）。生物膜逐渐增厚至超过一厘米，形成微生物垫。这些垫层提供了重要的生态系统服务，因为它们处于食物链的底部，可以固碳、吸收和生物修复污染物，并作为侵蚀响应的调节者。微生物垫覆盖大面积沉积物，保护其免受侵蚀。微生物垫对沉积物的这种稳定化作用被称为"生物稳定化"。这种现象不仅限于表层，在洪水事件或水库冲洗期间也可以在下部沉积物中观察到（Gerbersdorf和Wieprecht，2015年）。垫层与沉积物颗粒紧密结合，在高潮时防止沉积物被冲走（Redzuan和Milow，2019年）。它们的增长和代谢活动与基底相互作用，促进沉淀和胶结过程，从而增强基底稳定性（Stal，2010年）。垫层的基质形成对沉积物的侵蚀-输运-沉积-固结（ETDC）循环产生重大影响，并可能带来养分储存和污染物吸收等进一步影响（Paterson等，2018年）。

1968年，Meadows和Anderson首次介绍了微生物诱导的细粒沉积物的力学性质（Meadows和Anderson，1968年），此后对水-沉积物界面的侵蚀阈值进行了研究。微生物无法单独参与这种稳定化机制。相反，细菌和藻类形成的定殖结构，以及通过胞外聚合物（EPS）基质填充空隙孔隙空间而发展的细胞-细胞或细胞-基底附着，可以帮助降低侵蚀阈值（Paterson等，2018年）。除了稳定化功能外，化石证据还表明微生物垫是地球上最早的生命形式（Decho，2000年）。在适宜的环境条件下，垫层可以形成坚固的、类似礁石的碳酸盐矿化结构，称为叠层石，被认为是自太古宙以来最早的生物痕迹（Noffke，2008年）。

在本通讯中，我们集中研究促进叠层石岩化的微生物成分和生物化学机制，特别强调微生物活动、EPS和碳酸盐沉淀的作用。此外，我们关注了不同的非生物环境因素（如pH值、盐度和温度）对某些微生物生长的影响，这些微生物通过诱导EPS矿化和碳酸盐沉淀促进叠层石的形成。许多蓝细菌种类如聚球藻和热聚球藻是主要的钙化生物（Benzerara等，2014年；Lee等，2004年），蓝细菌钙化具有巨大的生态和生物地球化学意义，叠层石就是蓝细菌钙化的完美例证。基于这一背景研究，本研究进一步旨在利用一种新颖的计算建模方法评估未来气候情景下微生物钙化的潜在响应，利用包括鲨鱼湾（澳大利亚）、Highborne Cay（巴哈马）、Laguna Interna（智利）和Lagoa Vermelha（巴西）等多样地理地点的数据，评估pH值、盐度和温度等环境因素对微生物钙化的影响（图1）。通过将5个IPCC的CO2排放情景整合到'CO2calc'中——一个由美国地质调查局（USGS）设计的开源应用程序，用于计算碳酸盐体系参数——确定了溶解CO2水平。结果使用'CO2SYS'软件包（ver.2.3.xls）进行了进一步验证。溶解CO2的输出被输入到CellNetAnalyzer（CNA）中，这是一个具有图形用户界面（GUI）的基于MATLAB的工具箱。这种计算模型方法旨在确定在气候变化背景下，随着大气CO2浓度变化而导致的碳酸钙（CaCO3）沉淀变化。该基于计算机的应用程序套件模拟了有助于碳酸盐矿化的蓝细菌光合作用过程（Arp等，1999年；Couradeau等，2013年；Kamennaya等，2012年）。本研究中的CNA分析仅限于蓝细菌介导的叠层石钙化。该方法独特地区分了生物控制矿化和生物诱导矿化，为蓝细菌如何适应环境变化并增强碳酸钙沉淀提供了机制性见解。

**图1. 世界各地叠层石和微生物诱导沉积结构的地理位置，改编自文献**

**2. 岩化垫层（叠层石）和非岩化垫层（微生物诱导沉积结构）**

一个常见的错误是将叠层石和微生物诱导沉积结构（MISS）视为同义词，因为两种结构都是由沉积物和微生物垫的相互作用形成的。叠层石是由微生物群落（主要是蓝细菌）捕获和结合沉积颗粒形成的微生物结构（Frantz等，2015年）。随着时间的推移，沉积物层被胶结，形成固体岩石。这些岩化垫层提供了古代生态系统的宝贵信息，因为分层保存了地质时间尺度上微生物活动的记录（图2）（Noffke和Awramik，2013年）。微生物诱导沉积结构（MISS）是由微生物作用形成的沉积构造，保持未固结状态，不会通过岩化转变为固体岩石。MISS可以呈现各种形式，如皱褶结构、垫层碎片或侵蚀模式，它们在现代和古代环境中都提供了微生物与沉积物相互作用的证据。研究非岩化垫层可以提供其形成时期微生物过程和环境条件的见解（Noffke，2009年，2007年）。叠层石和MISS之间存在结构（二维/三维）和成分（碳酸盐/硅酸盐碎屑）方面的差异（Noffke和Awramik，2013年）。自从首次出现以来，形成叠层石的微生物群落表现出显著的形态和分类学变异，而非岩化垫层的形态随时间推移保持相似。MISS通常是平面的，从毫米延伸到数公里，被认为是表面现象（Noffke等，2001年）。在叠层石形成过程中，微生物垫和矿物颗粒（通常是碳酸盐）出现在EPS的有机基质中，该基质为碳酸盐沉淀提供了核化位点的微域，由生物分子的架构提供（Robles-Fernández等，2022年）。由于叠层石生长偏好于富钙环境，因此它们广泛分布于热带浅水区域。阳光支持水中的蓝细菌光合作用，促进富含钙的矿物的溶解。相比之下，非岩化垫层可以在海洋和陆地环境中形成，以硅酸盐碎屑和蒸发岩相为主，分布在从低纬度到高纬度的地区（Noffke和Awramik，2013年）。全球范围内识别出类似结构的显著地点包括南北海的Mellum岛；法国Montagne Noire的Lower Arenigian地层；突尼斯的Sabkha Bahar Aloune；以及其他许多地区（图1）（Carmona等，2012年；Noffke等，2013年，2001年）。

**图2. 叠层石和微生物诱导沉积结构（MISS）形成的不同阶段（改编自N. Noffke和Awramik 2013年）**

**3. 微生物群落在古代和现代叠层石形成中的作用**

叠层石是微生物介导的有机沉积结构的典型例子，它们在整个地质时间尺度上持续存在，并通过深时间提供了微生物栖息地的高分辨率地球化学快照。这些结构是最早的海洋浅水区域微生物定殖的迹象（Bosak等，2013年；Hohl和Viehmann，2021年）。叠层石的地质记录可追溯到太古宙时期，在元古宙时期达到发展顶峰。太古宙叠层石及其随时间的后续发展代表了微生物进化到高级水平的历程。前寒武纪海洋中的盐浓度几乎是现代海洋的两倍，因此叠层石起源于高盐环境（Foster和Green，2011年）。叠层石是具有稳定沉积物能力的抗水动力结构（Paterson等，2008年）。多种过程负责这些层状结构的形成，包括有机物对沉积颗粒的捕获以及微生物介导的碳酸盐矿物的无机沉淀。坚硬的礁状堆积是由于垂直剖面中观察到的层叠堆叠所致，这些层通常由形成生物膜的微生物聚集或底栖微生物原位沉淀的碳酸盐产生（Noffke和Awramik，2013年）。微生物垫是叠层石的前体，本质上由六个功能不同的微生物群体组成，下面重点介绍：

(i) 蓝细菌，它们是产氧光养生物和初级生产者（Paerl等，2001年）；
(ii) 紫色细菌和绿色细菌，即无氧光养生物，利用HS?作为光合作用的电子供体；
(iii) 好氧异养细菌，通过利用有机碳和氧气进行呼吸获得能量（Bak和Cypionka，1987年；Visscher等，1999年）；
(iv) 发酵细菌，利用硫化合物或有机碳作为电子供体和受体；
(v) 硫酸盐还原细菌（SRB），代谢有机碳和SO?2?同时产生HS?，作为厌氧异养生物发挥作用；
(vi) 硫化物氧化细菌（Dupraz和Visscher，2005a，Dupraz和Visscher，2005b；Fenchel，1998年）。

不同光养微生物的光合作用和其他微生物的呼吸作用可以通过干扰间隙水的碳平衡来引起碳的沉淀和溶解（Gattuso等，1999年）。在早期太古宙叠层石中鉴定出具有相似表型的类蓝细菌生物的存在证据，在同时期的众多化石硅质岩中均有发现，而蓝细菌是在多次进化事件之后进化的（Awramik，1991年）。

在巴哈马Exuma Sound（北纬24°15′00″，西经76°00′00″）中研究叠层石形成所使用的各种地质和形态学技术显示，由于其中存在的微生物群落结构，现代叠层石的组成存在差异（Paterson等，2010年；Reid等，2000年）。关于叠层石形成的研究主要强调蓝细菌种类，然而最近的形成物也包含额外的异养生物和自养生物，包括硅藻。中硅藻和羽藻分别在白垩纪早期和晚期进化，在捕获和结合新沉积物的过程中起关键作用，同时还释放大量EPS（Paterson等，2010年；Paterson和Black，2000年）。对澳大利亚鲨鱼湾Hamelin Pool（南纬25°30′0.0000″，东经113°30′0.0000″）（图1）高盐叠层石的16S rRNA基因序列分析表明，其包含17个不同的细菌门和亚门。除蓝细菌外，该叠层石主要由α-变形菌和放线菌主导。此外，还观察到拟杆菌门、γ-变形菌和厚壁菌的存在（Wong等，2015年）。在巴哈马Highborne Cay的叠层石中也发现了相似水平的微生物多样性（Foster和Green，2011年）。对巴哈马Highborne Cay（北纬24.7257°，西经76.8188°）（图1）和Exuma Sound的叠层石分析显示，具有20个不同门的高水平多样性，包括α-变形菌、蓝细菌、拟杆菌门、浮霉菌门、δ-变形菌和γ-变形菌（Foster和Green，2011年）。Cutts等（2022年）最近综述了在应用分子生物学方法背景下的现代海洋微生物岩矿化过程。近二十年来对澳大利亚鲨鱼湾和巴哈马（Exuma Cay、Exuma Sound、Highbrone Cay）的微生物岩进行了核苷酸测序研究（图1）。通过分子方法成功表征了微生物垫的整体群落组成，鉴定了参与主要代谢的微生物，以及微生物群组和功能基因分布的模式。由于分子工具变得广泛可得，科学家现在可以针对确定微生物与矿化之间更密切的联系（Cutts等，2022年；Foster和Green，2011年）。

**4. 沉积物稳定化中的生物化学过程**

叠层石对沉积物的稳定化涉及复杂的连续阶段。初始阶段涉及结合，即单个微生物通过在沉积物基质上组装形成微生物垫组织。

近岸沉积物相关的微生物数量庞大，然而它们各自在沉积物稳定化方面的能力尚未确定（Mandal等，2021；Redzuan和Underwood，2020）。生物膜的生长和代谢活动使其能够与基质颗粒相互作用，随后矿物的沉淀和胶结作用赋予并/或增加了基质的稳定性（Stal，2010）。微型底栖生物，如硅藻，在防止波浪作用导致的沉积物移动方面发挥着重要作用（Wigglesworth-Cooksey等，2001）。潮间带泥滩上的光养微生物群落通常由这些底栖硅藻主导（Cartaxana等，2016；de Brouwer等，2005；Redzuan和Milow，2019）。Yallop（Yallop等，1994）通过低温扫描电子显微镜（LTSEM）观察到了三种生物稳定化机制，包括非内聚沉积物颗粒之间无定形连接的形成、丝状蓝细菌的网络形成，以及胞外多糖（EPS）基质的积累。这些生物膜和底栖硅藻的微生物组合分泌大量粘液状EPS，其作为基质发挥作用，并提供稳定的保护性微环境。EPS有助于细菌胞外酶活性的定位，并参与有机物的生物矿化（Decho，2000）。硅藻介导的沉积物稳定化是由于其在活跃运动阶段分泌粘多糖所致。迁移节律与日潮汐活动同步进行（Barnett等，2020）。在低潮或出露期间，硅藻向上移动到光照区并沉积在沉积物表面；高潮来临前，它们向下移动进入沉积物中。这种上下运动是硅藻介导沉积物稳定化的主要机制之一。这种由迁移硅藻引起的沉积物稳定化主要观察于潮间带泥滩，因为这些与潮汐同步的运动在沉积物表面留下了粘液丝网络（图3a）（Madsen等，1993）。在沉积物-水界面生长的表壳硅藻产生大量EPS，提供沉积物颗粒的内聚性，赋予沉积物抗性和稳定性。EPS包含两个部分，由水溶性和水不溶性碳水化合物组成。水溶性部分比水不溶性部分更多地参与沉积物稳定化（van Duyl等，2000）。碳水化合物的质量是这种稳定化作用的主要因素。除碳水化合物部分外，EPS中存在的酸性糖类如糖醛酸也有助于生物稳定化。带电基团与粉砂和粘土颗粒的表面电荷基团相互作用，将它们粘合在一起。沉积物的营养状况也影响沉积物稳定化，因为硅藻生长随营养物质浓度增加而增加，随着硅藻生长，EPS的分泌也增加（Stal，2003；Ubertini等，2015，证明随着沉积物组成的变化，硅藻介导的生物稳定化也会变化。泥和沙的混合物造成胁迫环境条件，导致EPS产量增加，从而赋予丰富的沉积物稳定化。最小直链藻（Nitzschia brevissima）和柱形双叉藻（Cylindrotheca closterium）是两种被广泛研究其生物稳定化潜力的重要硅藻（de Brouwer等，2005）。

下载：下载高分辨率图像（340KB）下载：下载全尺寸图像
图3. 微生物结合沉积物的过程。a）硅藻光照运动导致的沉积物稳定化 b）蓝细菌介导的沉积物稳定化

丝状蓝细菌通过将沉积物颗粒缠绕在丝状网络中来捕获它们，产生牢固且连贯的结构（图3b）。沉积物床面高度也随之增加，因为沉积物颗粒沉积在生物膜上，被丝状蓝细菌捕获并通过光趋性运动迁移至垫体顶部（Stal，2010）。除了释放EPS外，以绳索状束存在的丝状蓝细菌增强了潮间带沉积物的侵蚀阈值。这种绳索状束是一种多丝状结构，其中丝体紧密编织在一起。这些造绳者是未稳定沉积物表面殖民的先驱者。潮间带蓝细菌生物膜通常由广布蓝细菌底栖蓝藻（Microcoleus chthonoplastes）主导，它通过多糖与毛管束结合形成厚束。M. chthonoplastes和异形丝蓝藻（Schizothrix sp.）分别在潮间带和亚潮带海洋碳酸盐沉积物中被鉴定出来，在松散沉积物的稳定化中发挥主要作用（Garcia-Pichel和Wojciechowski，2009；Stal，2003）。由于较高的钠离子和氯离子浓度，微型底栖生物（MPB）介导的沉积物稳定化在潮间带和河口生态区的影响大于淡水生态区。此外，宏观动物的生物灌溉和生物扰动活动增加了细菌的分布并刺激代谢活动，从而参与稳定化过程，如在英国苏格兰泰波特希思采集沉积物芯样的一项研究中所示（56.440893′N，2.863194′W）（Wyness等，2021）。EPS介导的矿物沉淀导致层状结构在叠层石中形成。不同微生物群通过一种称为群体感应的细胞间信号过程相互作用，可能促进共生体的发展，从而形成分层微生物垫群落。CaCO?沉淀受两个关键因素支持：地球化学方面和生物-化学方面。生物-化学方面主要包括EPS，其作为阳离子的螯合化合物发挥作用，同时作为晶体成核的模板。通过EPS改变导致CaCO?沉淀主要有三种方式——（i）通过微生物介导的降解分解EPS，释放HCO??和Ca2?（ii）通过有机矿化作用改变EPS基质，使其能够沉淀CaCO?，因为它重新组织了酸结合位点（Dupraz和Visscher，2005a，Dupraz和Visscher，2005b）（iii）由EPS结合容量与外源阳离子浓度之间的平衡控制的沉淀：当Ca2?饱和可用的负电荷基团时，沉淀即可开始（Arp等，2003）。微生物群落及其不同的代谢程序可作为碳酸根离子的直接来源或汇（Cutts等，2022；Decho等，2010；Dupraz和Visscher，2005a，Dupraz和Visscher，2005b）。

5. 影响叠层石中微生物多样性的环境因素

对当代海洋环境中发育中的叠层石的研究揭示，这些发育中的叠层石如何与沉积作用和蓝细菌主导的微生物垫的间歇性岩化作用的动态特性保持适当平衡（Reid等，2000）。不同的环境参数以及这些沉积结构中存在多样化微生物群落的代谢活动，负责这些结构的形成。当微生物群落溶解碳酸盐矿物的能力被这些矿物的沉淀量所超越时，岩化开始（Dupraz和Visscher，2005a，Dupraz和Visscher，2005b；Khodadad和Foster，2012）。促进这一现象的微生物生物膜被确认为岩化结构。对全球各地即澳大利亚、巴西、墨西哥、巴哈马和阿根廷各种叠层石的详细分类和功能基因分析揭示了岩化垫类型具有独特的微生物组成（Babilonia等，2018）。丝状蓝细菌和内石蓝细菌在发育这些床层结构中发挥重要作用。此类微生物生物膜的宏基因组分析显示，变形菌、拟杆菌和放线菌在叠层石的形成中活跃（Babilonia等，2018；Khodadad和Foster，2012）。

本通讯举例说明了叠层石结构中受pH、盐度和温度等物理化学参数影响的多样化微生物群落的丰富性，这些参数促进岩化过程。为确定影响叠层石形成的物理化学因素，计算了皮尔逊相关系数。物理化学数据汇编自之前发表的文献，如表1所述。从澳大利亚鲨鱼湾（Hamlein Pool）和罗特尼斯岛（31.9965° S，115.5399° E）、巴哈马Exuma和Highborne Cay、智利阿塔卡马盐湖的Laguna Interna（26° 13' 58.8000'' S，69° 7' 15.6072'' W）以及巴西的Lagoa Vermelha（28.2097° S，51.5299° W）生长的现代叠层石中汇编了微生物丰度及相关环境参数，如水质pH、温度和盐度（图1），以了解它们之间的相互关系。水的pH和温度似乎对叠层石的群落组成有显著影响。例如，蓝细菌的生长受pH升高（r=0.64）和较低温度（r=-0.67）的促进，而较低的pH（r=-0.67）和较高的温度（r=0.77）促进变形菌的生长（图4和表1）。

表1. 用于确定皮尔逊相关系数的与叠层石形成相关的微生物丰度和环境参数

| 研究地点 | pH | 温度（°C） | 盐度 | 蓝细菌 | 变形菌 | 拟杆菌 | 参考文献 |
|---------|-----|-----------|------|--------|--------|--------|---------|
| 鲨鱼湾，澳大利亚（平滑型） | 8.1 | 26 | 55 | 17 | 62 | 8 | Babilonia等 2018 |
| 鲨鱼湾，澳大利亚（胶球型） | 8.1 | 26 | 55 | 22 | 59 | 7 | Babilonia等 2018 |
| 鲨鱼湾，澳大利亚 | 8.1 | 27 | 55 | 11 | 62 | 8 | Goh 2009 |
| Highborne Cay，巴哈马 | 9.2 | 24 | 38 | 27 | 18 | 8.5 | Khodadad和Foster 2012 |
| 阿塔卡马盐湖Laguna Interna（智利） | 8 | 28 | 38 | 14.2 | 15 | 41.69 | Osman 2021 |
| Little Darby Island，巴哈马 | 8.9 | 26 | 90 | 31.6 | 62.2 | 3.4 | Casaburi等 2016 |
| 罗特尼斯岛，澳大利亚 | 8.6 | 26 | 200 | 9.9 | 52.9 | 20.8 | Mendes 2019 |
| Lagoa Vermelha，巴西 | 8.2 | 30 | 388 | 77 | 35 | — | Popall 2020 |

下载：下载高分辨率图像（245KB）下载：下载全尺寸图像
图4. 现代叠层石中环境条件与微生物种群的皮尔逊相关矩阵（各框内标注相关系数）。

Brutemark等（2015）进行的一项基于实验室的研究表明，pH降低直接影响细胞化学，改变代谢和膜运输，降低细胞功能或增加细胞能量需求。呼吸作用和光合作用被确定为蓝细菌中活性氧（ROS）产生的来源，随着pH降低，ROS产生增加，产生氧化应激。这种氧化应激可导致细胞水平损伤，当氧化剂水平与抗氧化剂产生之间的平衡被打破时（Latifi等，2009）。蓝细菌可以在胁迫下限制其代谢活动；因此，它们通常耐受这些条件。通常，岩化床中蓝细菌种群相对较高，而变形菌门和拟杆菌门的成员在非岩化床中占主导地位（Babilonia等，2018；Mendes Monteiro等，2020）。岩化过程由蓝细菌群落调节，其受水质pH的正向影响。拟杆菌、变形菌，特别是α-变形菌和γ-变形菌，对高盐土壤条件有很强的亲和力。另一方面，蓝细菌与土壤盐度呈负相关（Yang等，2021）。然而，汇编的数据未显示盐度与微生物群落之间有任何关系。拟杆菌可能通过降解高分子量大分子如EPS和蓝细菌来源的化合物来发挥生态作用，从而增加微生物群落中有机物质的可利用性。这解释了它们与蓝细菌群落的关联，以获取高分子量和多糖分泌物。这种代谢导致蓝细菌通过EPS介导的螯合形成并随后沉淀碳酸盐的能力降低。最终结果是形成非岩化垫结构（Wong等，2015）。这也从岩化垫中蓝细菌和拟杆菌丰度之间的强负相关（r=-0.73）中得到证实（Babilonia等，2018；Khodadad和Foster，2012）。基于皮尔逊相关矩阵（图4），可以假设岩化过程由碱性环境中蓝细菌的丰度主导，随着pH降低，岩化过程可通过限制群落的代谢活动而减缓。因此，降低pH和海水变暖将促进负责分解蓝细菌代谢物（包括这些产氧光合生物分泌的EPS）的拟杆菌的生长（Mendes Monteiro等，2020；Wong等，2015）。这减缓了岩化事件的过程，最终导致非岩化结构的形成，如澳大利亚鲨鱼湾和巴哈马所见。

6. 生物控制矿化（BCM）与生物诱导矿化（BIM）

生物控制矿化（BCM）和生物诱导矿化（BIM）是两个不同的过程，其中生物体在矿物沉积物的形成中发挥作用。BCM和BIM的关键区别在于生物体对矿化过程的控制程度（Frankel和Bazylinski，2003）。BCM涉及生物体主动调节并利用矿物执行特定的生物学功能，而BIM涉及生物体通过其代谢活动间接影响矿物形成，矿物作为副产品而非其生物学的组成部分。在BCM中，细胞对成核和结晶施加高度控制，这是一个有组织的过程，通常形成专门的结构如贝壳。另一方面，BIM受各种代谢活动影响，产生碱性的（微）环境，以及为矿化提供成核位点的细胞表面特性（Frankel和Bazylinski，2003；Kamennaya等，2012；Robles-Fernández等，2022），且是一种较为扩散的现象。以下将针对海洋环境中碳酸钙沉淀，详细讨论这两种过程。

6.1.

生物控制矿物化（BCM）及其在造壳海洋生物中的作用

海洋生物拥有特化的细胞或结构，如软体动物的外套膜组织或珊瑚虫，这些结构有助于从海水中摄取钙离子（Ca2?）和碳酸根离子（CO?2?）。这些离子是碳酸钙（CaCO?）的基本构建单元，而碳酸钙是大多数海洋贝壳的主要矿物成分（方程式1至方程式4）（Kamennaya等，2012；Merz，1992）。因此，与碳酸镁和白云石等其他矿物相比，碳酸钙的沉淀更为突出。

**方程式1：** CO? + H?O → H?CO?

**方程式2：** CaCO? + CO?(aq) + H?O → Ca2?(aq) + 2 HCO??(aq)

**方程式3：** H?CO? → H? + HCO??

**方程式4：** H? + CO?2? → HCO??

CO?溶解于海水中形成碳酸（H?CO?），它是一种弱酸，但能够溶解CaCO?（方程式1和方程式2）。H?CO?随后解离为碳酸氢根离子（HCO??）和氢离子（H?）（方程式3）。CO?溶解产生的氢离子（H?）增加导致海水pH值下降。氢离子倾向于与碳酸根离子结合，就像钙离子一样，但氢离子对碳酸根离子的亲和力大于钙离子。当氢离子与碳酸根离子结合时，会形成碳酸氢根离子（HCO??）（方程式4）。造壳生物无法从碳酸氢根离子中提取所需的碳酸根离子，从而使它们缺乏生长新贝壳所需的碳酸根离子。因此，pH值降低对海洋生物具有不利影响，尤其是对那些依赖碳酸钙（CaCO?）构建外壳、骨骼或其他结构的生物（Kelley等，2015）。

**6.2. 蓝细菌光合作用过程在碳酸钙沉淀中的作用：生物诱导矿物化（BIM）的一个实例**

层孔石的碳酸盐沉积超微结构由蓝细菌发育而成，这一点从其化石化垫状层孔石中观察到的高丰度可以得到证明。此碳矿物化过程的主要驱动力是蓝细菌的光合作用机制（Kamennaya等，2012；Merz，1992）。一些研究者认为，蓝细菌的钙化作用得益于CO?浓缩机制（CCMs），该机制可能是在前寒武纪晚期演化出来的，以适应低CO?逸度下的光合碳限制（Benzerara等，2014）。CCM模型的基本组分包括位于蓝细菌质膜下方S层（表面层）的几个活性HCO??和CO?转运体，以及嵌入胞质中的多面体微区室——羧酶体，其中含有核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）和羧酶体碳酸酐酶（CA），如图5所示。溶解于水中的CO?通常通过质膜扩散进入细胞，并在胞质中由膜结合的CA或附着在类囊体膜上的NADPH脱氢酶（NDH）转化为HCO??，从而增加胞质中的HCO??库。然而，在CO?或无机碳（C?）供应不足时，HCO??通过Na?/HCO??同向转运体直接从水中扩散进入细胞。积累在胞质中的HCO??池随后在羧酶体内被羧酶体CA转化为CO?。这导致CO?浓度在局部升高，作为羧酶体内Rubisco的底物。羧酶体CA催化可逆的羟基化反应，在将HCO??转化为CO?的过程中释放出一个水分子（Kamennaya等，2012；Merz，1992）。该水分子进一步解离产生H?（在CA进一步将HCO??转化为CO?的过程中被消耗）和OH?，后者在S层上积累。羟基自由基浓度的增加以及细胞对H?的持续消耗导致细胞表面碱化，从而使细胞外部pH值升高。与此并行，在进一步消耗外部H?离子（用于光合电子传递）的过程中，Ca2?离子被Ca2?/H?导入体运输到细胞表面。由于碱化作用，运输到表面的Ca2?离子被带负电荷的CO?2?残基吸引，产生CaCO?晶体。pH值的升高增加了细胞周围溶液层中CaCO?的饱和状态，从而导致CaCO?的沉淀（Kamennaya等，2012；Merz，1992）。胞外聚合物（EPS）作为生物矿物化的成核表面，其表面存在的各种带负电荷的功能基团（如硫酸酯、尿苷酸、氨基酸等）促进了Ca2?的螯合（Dupraz和Visscher，2005a；Dupraz和Visscher，2005b）。除了EPS层之外，蓝细菌的表面层（S-layer）——微生物细胞的最外层——也通过有序排列的离子结合基团进行矿物化（Dittrich和Sibler，2010；Kamennaya等，2012；Kranz等，2010）。

图5. 蓝细菌光合作用过程导致碳酸钙沉淀，通过扩散方式摄入大气中的CO?或以HCO??离子溶解形式摄入（改编自Kamennaya等，2012）

即使在现代，蓝细菌在层孔石的形成中仍然至关重要，这一点已通过墨西哥Alchichica湖（19°25′N；97°24′W）的实地观察得到证实。Alchichica湖是一个超碱性湖（pH≈8.9），其中栖息着高密度的现代微生物岩，主要由文石和水菱镁矿组成。尽管生物膜中存在多种类型的微生物代谢，但本研究聚焦于蓝细菌介导的碳酸钙沉淀。如图4所示，对先前研究的主成分分析（PCA）表明，在碱性条件下，与其他现存组合相比，蓝细菌提供了最高水平的碳酸盐产生量。细胞残体的精细保存被确立为化石形成早期阶段的模型。文石被确定为西澳大利亚皮尔巴拉克顿（21°10′43″S；119°49′34″E）Tumbiana层孔石中的主要相，这凸显了研究现代钙化的重要性。蓝细菌构成了与微生物岩相关的大部分生物量。属于副丝藻目的蓝细菌细胞特别被文石包裹，且细胞形态保存清晰（Couradeau等，2013）。

**7. 使用CellNetAnalyzer对蓝细菌钙化进行通量平衡分析（FBA）**

我们研究了在不同气候条件下微生物群落的石灰化程度（蓝细菌无机制碳过程中碳酸盐的沉淀），以及这种碳酸钙沉淀将如何影响未来层孔石对气候情景变化的响应。

**7.1. 模型输入**

气候情景取自政府间气候变化专门委员会（IPCC）对未来大气中二氧化碳（CO?）浓度的路径预测（IPCC 2018）。这五种情景并非固定预测，而是基于各种全球排放、政策和经济社会发展假设的不同潜在未来（图6）。2020年至2100年间五种路径的预测大气CO?浓度、pH和温度升高的逐十年数据点，使用'OriginLab'软件获取。这些变化的大气CO?浓度、pH值（总标度）和温度升高数据作为输入提供给'CO2calc'——由美国地质调查局（USGS）开发的海水碳计算器。盐度、大气压力和总碱度的标准值分别取为35 ppt、10.13 dbar和2300 μM/kg海水（补充图1）。巴哈马的坐标（25.0343°N，77.3963°W）及该处的平均风速（6.64 m/s）被作为标准输入，因为现代层孔石的形成已在巴哈马近岸被报道，这些是仅有的在现代开放海洋条件下发育的层孔石实例，类似于古代形成的层孔石（Dupraz等，2013）。随着大气CO?、pH和温度值的变化，'CO2calc'提供了溶解在水中的CO?浓度，以及海水中可用的HCO??和CO?2?离子浓度。使用相同的输入坐标、盐度、大气压力和总碱度，通过'CO2SYS'获取海水碳酸盐参数，改变大气CO?、pH（总标度）和温度，以验证'CO2calc'对五种路径的输出结果。溶解CO?、HCO??和CO?2?浓度分别表现出最小变化为-3.1至8.9%、2.2至6.8%和-0.2至-1.5%，验证了'CO2calc'生成的输出结果。

图6.（a）五种IPCC路径的逐十年大气CO?曲线图（b）五种IPCC路径的逐十年溶解CO?（水中）曲线图（c）五种IPCC路径的逐十年碳酸盐沉淀曲线图（自养生物）（d）五种IPCC路径的逐十年碳酸盐沉淀曲线图（蓝细菌）

随后，我们应用了CellNetAnalyzer（CNA）——一个MATLAB工具箱，它提供了图形用户界面（GUI）以及各种算法和（部分独特的）计算方法，用于研究代谢信号传导和调控网络的结构和功能特性（补充图2）（von Kamp等，2017）。蓝细菌光合作用的图形说明取自Kamennaya等（2012），展示了该过程中涉及的多种化学反应以及蓝细菌如何通过钙矿物化导致碳酸盐沉淀（图7）。我们使用GUI格式的交互网络图，根据五种IPCC路径下变化的溶解CO?浓度，计算碳酸钙沉淀量。对于基于GUI的模型，用户可以将已知的反应速率输入到指定字段中，并从整合到交互网络图中的CNA菜单栏中选择功能来启动计算。计算结果（补充图3）随后在网络图中显示（von Kamp等，2017）。

图7. CellNetAnalyzer中的典型输出通量值

**7.2. 模型结果**

目前估计CO?吸收量超过每小时100万吨（平均值），导致海洋酸化。这改变了海洋碳酸盐化学性质，修改了不同无机碳离子物种（CO?、HCO??和CO?2?）的浓度比值，以及降低了CaCO?的饱和状态（Ω）。

**方程式5：** Ω = [Ca2?] × [CO?2?] / Kc

其中Kc是饱和CaCO?溶液中[Ca2?] × [CO?2?]的乘积。如方程式5所示，Ω主要取决于CO?2?浓度，因为海水中Ca2?浓度相对稳定（约10 mM）。海水中溶解的CO?、HCO??和H?浓度增加但CO?2?浓度降低（第5.1节方程式1至方程式4，图6c），是由于CO?在海水中溶解度增加，导致CaCO?饱和状态下降。因此，许多钙化生物的钙化作用受到海洋酸化的抑制。升高的pCO?降低了珊瑚藻（一种珊瑚藻类）的钙化作用，原因是pH值降低和碳酸盐浓度下降（Gao等，2019）。相反，海洋的溶解无机碳（DIC）泵导致溶解CO?增加，这被蓝细菌用于激活CCM。因此，依赖于碳酸盐可用性的生物控制矿物化将受到不利影响，而生物诱导矿物化则利用溶解的CO?或碳酸氢根离子来主动转运和积累无机碳。蓝细菌光合作用途径对碳酸钙沉淀的贡献（第5.2节讨论）通过应用CellNetAnalyzer，采用计算方法根据随时间变化的二氧化碳浓度来确定。

蓝细菌在层孔石发育中的参与及其光合作用过程帮助利用了过去自24亿年前以来丰富环境的CO?，从而在早期地球产生了富氧环境（Demoulin等，2019）。工业化之前（约1920年），大气CO?水平约为280 ppm。到1960年，浓度已显著增加至316 ppm，并持续上升。在本研究中，基于蓝细菌光合作用过程相关的碳酸钙生成——一种平行代谢反应，开发了基于化学通量的线性网络分析方法。通过扩散进入蓝细菌胞质的溶解CO?被视为输入值，即已知的初始化学通量，通过网络分析评估了作为最终产物的CaCO?的生成。根据FBA，随着大气CO?含量的增加，CaCO?的生成量也增加。该计算模型记录了CO?化学通量与CaCO?之间的正相关关系（图6a和6d）。

这些生物诱导矿化所得结果与生物控制矿化形成对比，后者记录了随着二氧化碳浓度升高而出现的钙化减少现象。二氧化碳浓缩机制（CCM）似乎在蓝细菌中普遍存在，尽管至今尚未在所有已报告的约1500种蓝细菌物种中证实其存在。CCM可能通过提高细胞外表面附近的pH值来加速碳酸盐矿化，从而增强微环境相对于某种矿物的过饱和程度（Kamennaya等人，2012）。类囊体中的光合作用电子传递和羧酶体中的碳酸酐酶活性将H+离子释放到细胞质中，导致细胞质中OH?浓度净升高（图5）。Ca2+/H+反转运体的活动纠正了这一不平衡，导致细胞外表面形成碱性微环境。这种碱性pH使碳酸氢盐缓冲体系平衡向CO3?2的生成方向移动，在细胞外创建局部CO3?2浓度升高的区域。这一富集的CO3?2库是在未来气候情景下蓝细菌吸收升高溶解CO2的结果。只要充足的Ca2+可得，增强的溶解CO2最终将导致钙化增加。

我们未进行任何实验室/野外实验来验证CNA模型的结果；然而，Spitzer等人（2015）的实验结果证实了我们的假说。测试了来自德国喀斯特溪流的两种不同蓝细菌生物膜（微囊藻属SAG 2387菌株和鱼腥藻属SAG 2388菌株），以在不同CO2分压条件下验证光合作用对Ca2+去除和人工溪水中潜在CaCO3沉淀的影响，同时假设方解石过饱和度保持恒定（Spitzer等人，2015）。CO2分压被调控至350 ppm（环境水平）、2200 ppm（升高水平）和8700 ppm（高浓度水平）。对于鱼腥藻SAG 2388菌株，升高的pCO2水平下Ca2+去除的增加可能由增强的方解石沉淀、增多的Ca2+络合胞外聚合物的产生，和/或通过其他尚未经鉴定的过程与生物膜结合所驱动。相比之下，微囊藻SAG 2387生物膜通过方解石沉淀实现的Ca2+去除在数量上与观测到的pH值和方解石饱和指数值相吻合。结果表明，微囊藻生物膜去除的Ca2+通过即时沉淀沉积。某些微囊藻菌株具有明显较薄的Ca2+结合细胞表面层，表明其通过催化成核实现直接沉淀。在维持恒定总体方解石饱和指数的情况下，蓝细菌生物膜中CaCO3的沉积量随着pCO2的升高而增加。在升高的pCO2水平（2200 ppm）下观测到最陡的pH梯度，使得菌丝周围局部沉淀最为可能在这些条件下形成钙化蓝细菌微化石。与当前条件（350 ppm）相比，升高的pCO2水平（2200 ppm），结合恒定的总体水体方解石饱和指数，通过pH梯度增强了光合作用诱导的钙化，促进了钙化蓝细菌化石的形成（Spitzer等人，2015）。

8. 结论与未来展望

随着大气CO2浓度上升，有机碳酸盐的命运引起了越来越多的关注。虽然已经确立的事实是，排放增加将导致全球海洋酸化并减少生物矿化中海洋生物可用的CO3?2，但叠层石（层石）的命运仍然模糊不清。对已发表数据的统计分析考虑了pH、温度、盐度和微生物物种组成（蓝细菌、拟杆菌门和变形菌门）等环境因素，结果表明蓝细菌在寒冷、碱性的海洋中繁衍，而拟杆菌门和变形菌门在温暖、低pH的水域中占主导地位，这是未来海洋所预期的情景。尽管根据统计分析，蓝细菌种群将受到酸化环境的影响，但其固有的光合作用机制和嵌入的CCM成为了碳矿化过程中的关键驱动力，并是"诱导"而非"控制"生物钙化的一个良好范例。海洋中溶解CO2的量受整体大气CO2浓度的巨大影响，后者进而决定了岩石化过程。计算工具与气候预测的结合突显了蓝细菌驱动的钙化在叠层石形成中于升高CO2情景下的独特适应性。正如我们CNA分析所预测的那样，增多的溶解CO2预计将增强叠层石的形成。重要的是要认识到，叠层石形成是一个动态过程，受多种相互作用因素的影响，包括pH、温度和溶解CO2的可用性。虽然CNA模型预测在高CO2排放体制下钙化增强，但对现代叠层石野外数据的统计分析揭示了蓝细菌种群在寒冷、碱性海洋中的繁衍，这与全球变暖的趋势相反。与生物控制矿化系统不同，蓝细菌过程因其CO2浓缩机制而展现出增强的钙化能力，创造局部碱性微环境。叠层石已在多种环境中被发现，包括极端条件环境，展示了参与其形成的微生物群落的适应性。全面理解各种蓝细菌群落中有机碳和无机碳通量、叠层石形成中的碳酸盐矿化过程、光合作用与钙化之间的相互作用，以及气候变化对该相互作用潜在影响，对于准确估算预期气候条件下叠层石的形成至关重要。本研究提供了一个预测框架，以理解未来海洋中叠层石的韧性，强调了蓝细菌在全球海洋酸化和变暖背景下维持碳酸盐沉淀过程的作用。总之，叠层石形成与这些因素之间的关系是复杂的，不存在普遍答案，因为不同的叠层石形成可受各种条件影响，且其"建造者"的适应性各不相同。

CRediT作者贡献声明

Divyangana Lahiri：撰写—初稿，形式分析。Meenakshi Mukherjee：撰写—初稿，形式分析。Shantanu Bhunia：撰写—初稿，形式分析。Joydeep Mukherjee：撰写—审阅与编辑，监督，概念化。Reshmi Das：撰写—审阅与编辑，监督，概念化。

未引用参考文献：Babilonia等人，2018a；Babilonia等人，2018b；Golubic，1991；Khodadad和Foster，2012a；Khodadad和Foster，2012b；Reid等人，2000a；Reid等人，2000b；Stal，2010a；Stal，2010b。

Divyangana Lahiri | Shantanu Bhunia | Meenakshi Mukherjee | Reshmi Das | Joydeep Mukherjee