Длинный

Природа (2023)Цитировать эту статью

4960 Доступов

1273 Альтметрический

Подробности о метриках

Баланс между деградацией и сохранением осадочного органического углерода (ОС) важен для глобальных циклов углерода и кислорода1. Однако относительная важность различных механизмов и условий окружающей среды, способствующих сохранению морских осадочных ОС, остается неясной2,3,4,5,6,7,8. Простые органические молекулы могут быть геополимеризованы в неподатливые формы с помощью реакции Майяра5, хотя кинетика реакции при температуре морских осадочных пород считается медленной9,10. Более поздние работы в наземных системах предполагают, что реакция может катализироваться минералами марганца11,12,13, но потенциал содействия образованию геополимеризованного OC при температурах морских осадочных пород неясен. Здесь мы представляем инкубационные эксперименты и обнаруживаем, что ионы железа и марганца, а также минералы абиотически катализируют реакцию Майяра на величину до двух порядков при температурах, соответствующих континентальным окраинам, где происходит наибольшая сохранность4. Более того, химические характеристики продуктов реакции очень похожи на растворенные и общие OC, обнаруженные в отложениях континентальных окраин по всему миру. С помощью модели поровой воды14 мы подсчитали, что катализируемая железом и марганцем трансформация простых органических молекул в сложные макромолекулы может генерировать порядка примерно 4,1 Тг С/год для сохранения в морских отложениях. В контексте изменений в сохранности осадочного органического вещества, возможно, всего лишь на 63 Тг C/год за последние 300 миллионов лет6, мы предполагаем, что переменное поступление железа и марганца в океан может оказать существенное, но до сих пор неизученное влияние на глобальное сохранение ОВ в геологическом масштабе. время.

Сохранение органического углерода (ОУ) в морских отложениях в течение геологического времени требует, чтобы органический углерод избегал микробной реминерализации, которая в противном случае превращает его в растворенный неорганический углерод и/или углекислый газ7. Эта предпосылка является центральной для всех механизмов консервации ОК и требует, чтобы ОК был либо изначально стабилен, либо был устойчив к микробному разрушению7. Последний путь сохранения чаще всего связан с взаимодействием ОК с минеральной матрицей4,8, но другие пути могут также включать трансформацию ОК из лабильных форм в устойчивые5. Реакция Майяра15 является одним из таких путей, поскольку она может полимеризовать любой восстанавливающий сахар и свободную аминокислоту в сложные ароматические соединения (более 1000 г моль-1), обладающие N-замещенными кольцами, карбонильными, карбоксильными и аминофункциональными группами16 (дополнительный рисунок 1). Эти ароматические полимеры, которые мы определяем как геополимеризованные вещества (ГПС), слишком велики, чтобы их могли напрямую поглощать микробы, и их труднее гидролизовать вне клеток (если их концентрация превышает 1000 г моль-1), поскольку они имеют более сложную структуру и, следовательно, могут избежать микробной реминерализации17 и, таким образом, сохраняться в окружающей среде в течение длительного времени.

Чтобы геополимеризация внесла заметный вклад в сохранение ОС в морских отложениях, кинетика реакции Майяра должна конкурировать с микробным поглощением или реминерализацией редуцирующих сахаров и аминокислот7. Однако кинетика реакции Майяра при температуре морских отложений (около 10 °C)14 считается чрезвычайно медленной9,10. В результате геополимеризация в значительной степени игнорируется как механизм сохранения ОС и считается незначительной по важности для захоронения ОС в морских отложениях7,9,18. Однако более поздние работы показывают, что реакция Майяра может катализироваться при температуре почвы (25–45 °C) минералом Mn бернесситом11 и глинами12, что приводит к увеличению производства гуминовых веществ, которые напоминают те, которые в изобилии встречаются в почвенной среде. Более того, в морских и наземных системах круговорот OC, как известно, тесно связан с круговоротом растворенных Fe и Mn, а также минеральных (оксигидр)оксидов Fe и Mn13,19,20, что позволяет предположить, что эти реакционноспособные формы Fe и Mn может образовывать комплексы с молекулами OC, помогая защитить эти молекулы от реминерализации и сохранить их на протяжении сотен и тысяч лет8,19. Несмотря на то, что Fe и Mn могут играть важную роль в трансформации и сохранении ОС, потенциал Fe и Mn катализировать реакцию Майяра и способствовать образованию геополимеризованного ОС при температуре морских отложений никогда не был определен.