Evaporative silicification in floating microbial mats: patterns of oxygen production and preservation potential in silica-undersaturated streams, El Tatio, Chile  

漂浮微生物墊中的蒸發硅化：二氧化硅不飽和流中的產氧模式和保存潛力，智利El Tatio

來源：Geobiology, Volume 20, 2022, Pages 310-330

《地球生物學》第20卷，2022年，310-330頁

 

摘要內容  

本研究以智利El Tatio熱泉區的漂浮微生物席為對象，探究硅不飽和溪流（溶解SiO?<150 ppm）中蒸發驅動的硅化機制及其對微生物功能的影響。研究發現：  

微生物席表面形成脆性硅殼（厚約1 mm），保留完好的絲狀微生物結構（主要為藍藻）。  

 

硅殼通過減弱光照抑制席內產氧光合作用，使硅殼下溶解氧濃度降低80%，pH值下降（圖7-8）。  

 

 

 

蒸發與夜間冷卻共同驅動硅沉淀，但低硅濃度（102-140 ppm）限制硅質沉積物的長期保存（圖4,9）。  

 

 

 

硅化微生物的保存潛力取決于水體硅濃度：>200 ppm SiO?可形成持久硅質泉華，<150 ppm僅形成易碎硅殼（圖9）。  

 

研究目的  

揭示硅不飽和熱泉溪流中微生物席硅化的物理-生物耦合機制。  

 

量化硅殼對微生物光合作用及代謝的抑制效應。  

 

評估低硅環境下微生物結構的保存潛力及其地質記錄意義。  

 

研究思路  

野外采樣：  

 

智利El Tatio熱泉區兩條溪流（Vicuna Stream和Middle Basin Springs）的漂浮微生物席（圖1-2）。  

 

 

 

區分不同硅化程度的席區域：無殼橄欖色席、硅殼覆蓋席、暗綠色邊緣席（圖5）。  

 

原位監測：  

 

環境參數：溫度、濕度、光照強度（圖3）、SiO?濃度（圖4）。  

 

溶解氧（O?）和pH微剖面：Unisense微電極（50 μm尖端）垂直測量席內梯度（圖7-8）。  

實驗室分析：  

 

掃描電鏡（SEM）觀察硅殼微觀結構與微生物保存（圖6）。  

 

 

DNA測序解析微生物群落組成。  

 

X射線能譜（EDS）分析硅殼元素組成。  

 

測量數據及研究意義  

環境參數動態（圖3）：  

 

數據：晝夜溫度（-5至25℃）、濕度（30%-78%）、光照強度（0-80,000 lux）。  

 

意義：證實蒸發高峰在低濕度（20%-30%）與強風速（5 m/s）的午后，驅動硅沉淀。  

SiO?濃度剖面（圖4）：  

 

數據：溪流SiO?濃度（102-140 ppm）低于硅飽和閾值（150-175 ppm）。  

 

意義：解釋硅殼脆性成因，揭示低硅環境無法形成持久泉華。  

微生物席表面特征（圖5）：  

 

數據：橄欖色席硅殼覆蓋率（10%-75%），暗綠色邊緣無硅殼。  

 

意義：硅化空間異質性與蒸發暴露程度直接相關。  

溶解氧與pH微剖面（圖7-8）：  

 

數據：硅殼下最大O?濃度≤0.4 mM（無殼席：>1.2 mM），pH峰值≤7.8（無殼席：8.8-10.2）。  

 

意義：量化硅殼遮光效應導致的光合作用抑制。  

硅殼微觀結構（圖6）：  

 

數據：硅殼分層保存絲狀藍藻（寬5-10 μm）和桿狀菌（2-4 μm）。  

 

意義：證實蒸發硅化可保存微生物形態，但低硅濃度限制成巖作用。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義  

高分辨率生理過程解析：  

 

微電極以毫米級分辨率（1 mm步長）捕獲席內O?和pH梯度（圖7-8），揭示硅殼下光合作用受抑（O?峰值降80%），證實硅化對微生物代謝的負反饋效應。  

硅化-代謝耦合機制驗證：  

 

對比硅殼覆蓋區與無殼區的O?/pH剖面（圖8c），證明硅殼遮光導致光合作用減弱，進而降低席內pH（7.5 vs 8.8），減少硅溶解度抑制因子（高pH增溶硅），促進硅沉淀。  

生態功能定量評估：  

 

測量硅殼下PAR（光合有效輻射）<0.64 lux（表面80,000 lux），結合溫度數據（>30℃），驗證高溫弱光條件對藍藻光合的協同抑制（文獻支持：Epping & Kuhl 2000）。  

 

結論  

硅化機制：蒸發是硅沉淀主控因素，夜間冷卻輔助硅飽和；硅殼形成需反復干濕循環（非連續浸泡）。  

 

代謝抑制：硅殼遮光降低席內光合效率，O?產量降80%，形成“硅化-低光合-硅沉淀”負反饋循環。  

 

保存潛力：  

 

保存窗口：硅濃度>200 ppm可形成持久泉華（如Octopus Spring），<150 ppm僅存脆性硅殼（圖9）。  

 

形態保存：硅殼可保存絲狀藍藻和桿狀菌形態（圖6），但低硅濃度限制成巖潛力，難形成地質記錄中的硅化微生物席。