近日，国际地学领域重要期刊《Geophysical Research Letters》刊发了中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室陈中强教授团队的最新成果—二叠纪末大灭绝后宽球藻目蓝细菌大爆发并催化碳酸盐沉淀和白云岩化作用（Benthic Pleurocapsales (cyanobacteria) blooms catalyzing carbonate precipitation and dolomitization following the end-Permian mass extinction）。该论文第一作者为吴司琪博士（现为广西大学海洋学院助理教授），通讯作者为陈中强教授。

论文内容

2.52亿年前（二叠纪末）地球上发生了显生宙以来规模最大的生物大灭绝事件，极大地重塑了全球生态系统的演化轨迹。大灭绝后在广袤的浅海中广泛发育一套微生物岩建造，其沉积厚度远高于同时期其它类型沉积物的要大，并且富含微生物化石，因此，绝大多数学者认为微生物岩的沉积与大灭绝事件紧密相关，也可能是大灭绝事件在沉积体系的响应。因此，这套全球广布的微生物岩吸引了世界各国学者强烈的兴趣。不过，还有许多秘密掩藏这些生物沉积中，到底是什么微生物建造了它们呢？为什么微生物岩的沉积速率如此之快？白云岩化作用也非常突出呢？为了解码微生物岩带来的谜团，陈中强教授团队在过去10年里考察并解剖了华南地区30多个地层剖面以及世界各地同时期的微生物岩沉积建造，于今年4月份在GRL发表了他们的成果，揭示这套大灭绝后微生物岩的形成与海洋氧化还原条件无关，是微生物爆发的产物，相反，微生物的繁殖导致浅海中局部水域贫氧（Chen et al., 2022, GRL）。此后，该团队对微生物岩中微生物化石的形态特征和生殖分裂过程进行了深入研究与对比，并利用该实验室装备的激光拉曼、能谱（EDS）和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）等国际前沿分析手段，揭示微生物促进碳酸盐沉积和白云岩化作用。

研究发现，微生物岩建造中普遍发育一种由分层圆柱体和顶部球状细胞组成的蓝细菌化石（图1）。该化石在微生物岩中分布十分广泛，且群居时发育枝状结构。激光拉曼分析表明，微化石保存状态良好，残留的有机碳显著，沿着微化石的纹层分布，指示它们可能是蓝细菌钙化作用后残留下来的有机质（图1O-Q）。更为重要的是，这些蓝细菌的现代后裔具有非常强大的钙化能力，催生碳酸钙细胞外沉淀。综合所有证据，表明这些柱状蓝细菌对构建微生物岩起到非常重要的作用。

图1 光学显微镜（A-H）和扫描电镜（I-N）下的蓝细菌化石；（A-C，I-K）类型1，单个柱体；（D-E，L-N）类型2，两个柱体侧向相连；（F-H）簇状聚集体；（F） 化石聚集体的横截面；（G）为（F）中方框区域的特写，显示圆圈结构。（O） 用于拉曼分析的化石；（P） 拉曼信号强度分布图，和（O）中化石位置对应；（Q）拉曼光谱图，方框中的信号在（P）中用相同颜色表示

为了评价微生物与白云石化作用之间的关系，该团队对微生物岩中Mg元素的分布进行了宏观和微观两个尺度的研究。常量元素分析表明微生物岩中的Mg/（Mg+Ca）比值比其上、下覆地层中的比值平均高出10-16倍，指示微生物岩的白云岩化作用非常显著。

扫描电镜的EDS分析表明，在微生物岩底部界线上、下岩石中Mg元素含量发生明显变化，微生物岩中Mg元素含量明显高于下伏上二叠统灰岩中相同指标（图3A-C）。深入解剖发现一些蓝细菌化石上Mg元素含量远高于围岩，而Ca元素含量则相反（图3D-F）。蓝细菌化石顶部球状体中的Mg含量高于球状体周围的圈层结构中的Mg含量。这些结果表明，蓝细菌富集Mg元素能力超凡，可导致微生物岩的Mg元素含量升高，从而促进其白云岩化。

图2 EDS分析显示Mg和Ca元素在微生物和下覆地层以及微生物化石和围岩中的微观分布。（A-C）上二叠统生屑灰岩及其上覆微生物的Mg-Ca分布：红色箭头指示两者的分界面，微生物岩中Mg元素浓度非常高，Ca浓度低；下覆地层则相反。（D-F）蓝细菌化石和围岩的Mg-Ca分布，微生物化石中的Mg浓度相当高，Ca浓度非常低，围岩则相反。（G-I）蓝细菌化石顶部球状细胞较外圈层含更高的Mg浓度。

通过对上千枚微生物化石的观察，还原出蓝细菌整个生命繁殖-生长周期，分为四个阶段（图3）：第1阶段，粘连在一起或稍稍分散的小孢子（baeocyte）聚集体；第2阶段，小孢子一侧萌生出细小纹层，单向延伸，形成最初的柱状体；第3阶段，成年体阶段，小孢子逐渐变大成为顶部球状细胞，被柱状结构向上托举，最终变为成年体，发育多而明显的纹层，顶部球状细胞大而清晰；第4阶段，顶部球状细胞经历复分裂过程生成许多小孢子。小孢子成熟后脱离母体，在合适的基质上降落后，开始另一个生命繁殖和生长周期。这种通过复分裂方式形成小孢子的生殖方式在蓝细菌大类中为宽球藻目（Pleurocapsales）独有。

该研究得到国家自然基金委的资助（41821001，41930322，41772007）。

论文信息：

Title: Benthic Pleurocapsales (Cyanobacteria) Blooms Catalyzing Carbonate Precipitation and Dolomitization Following the End-Permian Mass Extinction.

Authors: Siqi Wu, Zhong-Qiang Chen*, Yuheng Fang, Yu Pei, and William J. Foster

Journal: Geophysical Research Letters

DOI: https://doi.org/10.1029/2022GL100819