利用Py-CSIA技术追踪火星模拟熔岩管中有机物的来源及其变化过程

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Tracing the source and transformations of organic matter in a Mars analogue lava tube using Py-CSIA

火山洞穴有机质同位素分析揭示微生物活动痕迹，为火星熔岩管生命探测提供方法学依据。

　　

Nicasio T. Jiménez-Morillo | Layla M. San-Emeterio | José M. De la Rosa | José A. González-Pérez | Francesco Sauro | Ana Z. Miller

塞维利亚自然资源与农业生物学研究所 – 西班牙高等科学研究委员会 (IRNAS-CSIC) 地址：Reina Mercedes 大道 10 号，41012，塞维利亚，西班牙

摘要

火山洞穴沉积物是研究行星类似环境中有机物质 (OM) 的重要档案，能够为了解过去的或现存的微生物生命及环境条件提供宝贵信息。在本研究中，我们采用了元素分析-同位素比值质谱法 (EA/IRMS)、分析性热解 (Py-GC/MS) 以及热解-化合物特异性同位素分析 (Py-CSIA) 技术，对从西班牙兰萨罗特岛的 Corona 火山熔岩管系统中采集的四个样本进行了分子和同位素组成分析。该地点曾在欧洲航天局的 PANGAEA-X 宇航员训练活动中被考察，可作为火星地下环境的天然实验室。

我们研究了两种不同的洞穴样本（一种富含有机物的黑色微生物垫层和一种以矿物质为主的白色沉积物），以及上覆的表土和 Euphorbia balsamifera 植被，以追踪这种极端地下环境中有机物质的起源、转化和保存过程。稳定同位素数据及化合物特异性特征显示，地表来源与洞穴来源的有机物在碳和氢同位素组成上存在显著差异，这表明它们的生物地球化学途径和微生物活动存在差异。值得注意的是，洞穴基质中的甾醇和木质素衍生化合物具有较高的 13C 同位素富集现象，表明经历了强烈的微生物作用；而 δ2H 数据则反映了过去大气水的渗入及成岩作用的影响。

我们的发现展示了 Py-CSIA 在分子水平上解析生物特征的能力，并强调了同位素工具在火山地下系统中的诊断潜力。这种方法为未来的天体生物学探索和火星熔岩管中的生命探测策略提供了关键框架，在这些环境中，微弱的有机痕迹可能最能揭示地球以外的宜居性或生命存在。

引言

位于西班牙兰萨罗特岛（加那利群岛）的 Corona 火山熔岩管系统是地球上最大、地质最复杂的熔岩管之一 [1]。它形成于晚更新世时期的火山活动，其地下通道内分布着次生矿物沉积物（即洞穴沉积物），这些沉积物保存了地质和生物过程的记录。兰萨罗特岛的干旱气候、稀薄的土壤覆盖层以及玄武岩地形与火星和月球上的熔岩管环境极为相似 [2], [3]，因此 Corona 系统成为研究宜居性和生物特征保存的理想行星类比对象，同时也适用于各种分子和同位素技术的应用。

尽管基于同位素的方法在天体生物学领域具有潜力，但其在熔岩管环境中的应用仍然有限。例如，即将实施的 ExoMars 任务中罗斯林德·弗兰克林号火星车所搭载的火星有机分子分析仪 (MOMA) 主要关注分子组成 [4]，但结合同位素分析可以揭示有机分子的起源和过去的环境变化，从而增强生物特征的探测能力 [5]。

火山洞穴中的洞穴沉积物能够保存来自地表输入的有机物质以及原位微生物活动的产物 [6], [7]，但要确定其生物起源需借助高分辨率技术，如传统的批量稳定同位素分析 (EA/IRMS)、分析性热解 (Py-GC/MS) 和热解-化合物特异性同位素分析 (Py-CSIA)。对于轻质生物元素（如 C、N、O 和 H）的稳定同位素分析是一种强大的工具，有助于通过生物合成分馏模式追踪有机物质的起源和转化过程 [8]。然而，批量同位素分析虽然能提供关于碳和氢来源的一般信息，但它会平均所有有机成分的信号，从而掩盖了将同位素模式与微生物和环境过程联系起来的分子级变化 [6], [7], [9], [10]。为克服这些限制，热解-化合物特异性同位素分析 (Py-CSIA) 提供了一种更精确的方法，能够区分生物和非生物来源，并洞察环境条件 [11], [12], [13]。在氢的同位素区分（δ2H）方面，Py-CSIA 可有效区分生物和非生物来源，因为 δ2H 值主要受形成过程中氢的来源及其相关同位素效应的控制。在生物分子（如脂质）中，氢主要来源于环境水和细胞内的还原能力（尤其是 NADPH），而酶促反应会生成特定于途径的动力学同位素分馏，从而产生一致的 δ2H 特征 [14], [15], [16], [17]。相比之下，非酶促反应（如费托合成）产生的非生物有机分子中的氢受温度和催化剂的不同动力学/热力学控制，其 δ2H 特征和化合物间的关系往往与生物合成特征不符 [18]。此外，形成后的氢在同热液条件下的同位素交换可能会改变原始的 δ2H 值，在解释非生物/热成因系统时必须考虑这一因素 [19]。这些差异对于重建有机物质和水的来源、转化过程及成岩历史至关重要，也有助于将同位素变化与微生物过程和环境条件联系起来。

在本研究中，我们首次应用 Py-CSIA 对 Corona 火山熔岩管系统中洞穴沉积物中的有机分子进行了碳和氢同位素分析。我们旨在确定保存的有机物质是否包含微生物起源的分子生物标志物，从而为这一火星类似环境中的过去或现存地下微生物生命提供证据。此外，我们还探讨了这些化合物的氢同位素组成是否反映了不同的环境水源和微生物代谢途径，从而为火山洞穴中的生物地球化学循环提供新的见解。最后，我们假设 Py-CSIA 在 Corona 系统中的成功应用可为未来火星熔岩管中的生命探测策略提供方法论框架，显著提升天体生物学探索的能力。

地点描述与采样

本研究分析的样本是在欧洲航天局的 PANGAEA-X（行星地质与天体生物学演习）宇航员训练活动中采集的，该活动在西班牙兰萨罗特岛的 Corona 火山熔岩管系统进行。由于该地点具有玄武岩地质、干旱气候和保存完好的洞穴沉积物，使其成为研究火星地下环境的理想地球类比对象 [1], [2]。Corona 火山熔岩管系统是一个多公里的火山结构

批量稳定同位素组成

通过 EA/IRMS 测得的 δ¹³C 值显示，洞穴样本 (CLT1 和 CLT3)、表土 (SCLT) 以及 E. balsamifera 树干之间存在差异（见表 1）。表土和植物的 δ¹³C 值相似，其中 CLT3 的 δ¹³C 值最低（?33.9‰），而 CLT1 的 δ¹³C 值最高（?16.1‰）。在 δ¹⁵N 方面，表土 (SCLT) 的值高于 PCLT（见表 1）。洞穴沉积物样本的 δ¹⁵N 特征存在明显差异：CLT1 显示

讨论

结合使用批量同位素分析 (EA/IRMS)、分析性热解 (Py-GC/MS) 进行的分子指纹分析以及热解-化合物特异性同位素分析 (Py-CSIA)，使我们能够从多角度了解 Corona 火山熔岩管中有机物质的来源和转化过程。虽然批量 δ¹³C 和 δ²H 值可以区分地表来源和洞穴来源的物质，但 Py-GC/MS 的分子数据揭示了特定化合物的存在（如酚类、烷基化合物等）

结论

本研究证明了 Py-CSIA 作为一种高分辨率工具，在识别微生物生物标志物以及研究火星类似环境中的有机物质起源和转化方面具有巨大潜力。通过对比 Corona 火山熔岩管中的两种不同洞穴沉积物样本（CLT1：黑色、类似果冻的有机垫层；CLT3：白色、类似棉花的矿物沉积物），我们发现分子和同位素层面的信息是批量分析无法提供的。

未引用参考文献

[76], [77], [78], [79], [80], [81]

CRediT 作者贡献声明

Nicasio T. Jiménez-Morillo： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。 Layla M. San-Emeterio： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据分析。 José M. De la Rosa： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据分析。 José A. González-Pérez： 文章撰写 – 审稿与编辑、资源获取、实验研究。 Francesco Sauro： 文章撰写 – 审稿与编辑、资源获取、实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了西班牙科学与创新部 (MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033) 以及西班牙国家研究委员会 (CSIC) 的支持（项目编号：PIE_20214AT021）。此外，还得到了 HERMES 项目（项目编号：PID2024-162087NB-C21）的资助（该项目由 MICIU/AEI/10.13039/501100011033 资助）。同时，我们也感谢葡萄牙科学技术基金会 (FCT) 的财政支持