研究背景及科学问题
硫的生物地球化学循环通过各种微生物代谢过程(如硫酸盐还原、歧化和硫化物氧化)的活动，改变硫的氧化状态，在调节地球表面条件中起着重要作用。这些代谢活动与全球氧、碳和铁循环紧密相连，特别是通过微生物硫酸盐还原(MSR)过程与碳循环相互作用，这是一种厌氧代谢，其中硫酸盐的还原作用与有机物、氢或甲烷的氧化过程相结合形成硫化物。在孔隙水中，微生物产生的硫化物(H2S和HS -)可以与亚铁或氧化铁反应形成沉积黄铁矿(FeS2)，最终可能被保存在沉积岩记录中。黄铁矿的埋藏代表了海洋大气中氧气的间接净来源，海洋沉积物和沉积岩中氧化(硫酸盐)相对于还原(硫化物)矿物的长期埋藏调节了海洋氧化还原条件,因此是地质时期调节地球表面氧化还原状态的重要因素。通过这些耦合，硫循环与地球氧化状态和气候的长期演变直接相关。硫酸盐还原过程产生的黄铁矿δ34Spyr的地层记录通常用于重建全球硫循环通量和过程，但是越来越多的证据表明局部过程对于黄铁矿同位素组成有着很大的影响。目前尚不清楚多大程度的地层δ34Spyr变化反映的是局部的沉积环境方面或微生物活动，而何种变化才反映的是全球硫循环的变化。作者在他们较早发表的两篇文章中，已经探讨了沉积速率等地方性因素对于黄铁矿硫同位素组成的影响（Pasquier et al., 2017; 2021)，为了进一步研究黄铁矿硫同位素变化的潜在区域性的驱动因素的影响，本文作者深入研究了来自于秘鲁边缘浅大陆架的Salaverry盆地的沉积序列(图1)。
图1.研究区域的地理位置及地层. a.地理位置; b. 地层柱状图; c. 自上而下[SO42-]、[H2S]、[CH4]的浓度变化; d. 自上而下硫酸盐还原速率（SRR）、氢营养化产甲烷率（H2+CO2MG）、丙酮裂解产甲烷率（AcMG）、古菌浓度的变化; e. 黄铁矿硫同位素自上而下的变化（绿色是本文数据，浅绿色数据来自Meister et al., 2019).
研究内容
作者对研究剖面开展了细致的沉积学和地球化学工作，结合前人研究建立的高精度时间序列，恢复了黄铁矿硫同位素随时间的记录和分布，结果表明，δ34Spyr相对于冰期-间冰期旋回呈现明显的双峰分布（图2）。极小值出现在冰期，其特征是同位素变率相对较低(平均δ34Spyr= -28.9±1.8‰;N = 14;图2 b)。间冰期样品δ34Spyr值最大，同位素变异较大(平均δ34Spyr = -19.7±4.1‰;N = 18;图2 b)。δ34Spyr值与有孔虫δ18O值之间存在明显的线性相关性，提示δ34Spyr值与气候协变。由于这些地层波动的时间尺度远短于海水硫酸盐的停留时间(1300万年)，因此这种变化必然反映了局部或区域成岩环境和/或微生物活动方面的控制。
图2：ODP 201-site 1229 δ34Spyr的时间记录和分布
以前的冰期-间冰期δ34Spyr值高达70‰的波动归因于沉积速率的区域变化，沉积速率也是沉积环境的参数，而不是全球硫循环的参数（代表局部变化）。具体来说，34S的强富集被解释为较高的冰川沉积速率，导致沉积物孔隙水和海水之间扩散交换的快速埋藏，以及MSR随孔隙水硫酸盐深度的快速下降。虽然秘鲁边缘的沉积环境也受到海平面变化的影响(主要是在硅屑沉积与碳酸盐沉积方面)，但沉积速率在冰期-间冰期没有明显变化，也没有沉积速率与δ34Spyr之间的关系（图3）。如此看来，研究区域的硫同位素变化特征似乎并不是由地方性(或区域性)沉积速率变化引起的，而是由环境机制控制的。可能的替代驱动因素包括SWI氧化还原状态的变化或沉积物中有机碳负荷的变化。地球化学数据显示：1.三种不同的铁组分和黄铁矿硫同位素值之间没有明显的相关性；2.TOC、δ13Corg、δ15N和黄铁矿硫同位素值之间则表现出显著的正相关（图3&图4）。
图3：ODP 201段1229井的地球化学和同位素数据
图4：δ15N-TOC-δ34Spyr交会图
核心
发现
沉积物的地方性有机通量变化和沉积速率变化为δ34Spyr动态变化的驱动因素吗？
本文通过对现代秘鲁边缘冰期-间冰期沉积物的C - N - S浓度和稳定同位素数据的耦合分析，揭示了地方性环境对沉积δ34Spyr的强烈控制。微生物代谢活动的变化速率，受OMZ范围的区域海洋学变化和下沉有机质通量的调节，而有机质通量变化似乎驱动了秘鲁边缘观测到的δ34Spyr变异。这种影响不太可能是由于细胞特异性硫酸盐还原速率的巨大变化，而是由于群落水平上MSR速率的变化，影响孔隙水硫酸盐的下降和同位素分馏，以及孔隙水硫化物的积累和向上扩散。随着局部水柱氧化作用和有机质沉积通量对δ34Spyr的强烈控制的发现和明确论证，沉积物的局部有机通量变化可能与局部沉积速率变化一起被列为δ34Spyr地层变化的驱动因素。
本文的研究发现对于我们有着重要的启发，越来越多的证据突出了地方性环境对沉积黄铁矿δ34Spyr记录影响。在化学地层数据用于重建全球生物地球化学循环、海洋化学演化或地球表面氧化还原状态之前，我们需要识别和评估这些地方性控制因素。
原文
链接：
Pasquier, V., Fike, D.A. & Halevy, I. Sedimentary pyrite sulfur isotopes track the local dynamics of the Peruvian oxygen minimum zone. Nat Commun 12, 4403 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24753-x
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解读人：郑子杰
编辑：刘丹娜
审核：陈中强
