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Jan 04, 2024

自然 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

堆積性有機炭素 (OC) の分解と保存のバランスは、地球規模の炭素と酸素の循環にとって重要です1。 しかし、海洋堆積物 OC の保存に寄与するさまざまなメカニズムや環境条件の相対的な重要性は依然として不明です 2,3,4,5,6,7,8。 単純な有機分子はメイラード反応によってジオポリマー化し、難解な形態にすることができます 5 が、海洋堆積物の温度での反応速度は遅いと考えられています 9,10。 陸上システムに関する最近の研究では、この反応がマンガン鉱物によって触媒される可能性があることが示唆されていますが、海洋堆積物の温度でジオポリマー化した OC 形成が促進される可能性は不明です。 ここで我々は培養実験を紹介し、鉄とマンガンのイオンと鉱物が、ほとんどの保存が行われる大陸縁辺に関連する温度でメイラード反応を非生物的に最大2桁触媒することを発見した4。 さらに、反応生成物の化学的特徴は、世界中の大陸縁辺堆積物に見られる溶解および総 OC によく似ています。 間隙水モデル 14 を利用して、単純な有機分子が鉄とマンガンによって触媒されて複雑な高分子に変化すると、海洋堆積物中での保存のために約 4.1 Tg C yr-1 のオーダーが生成される可能性があると推定されています。 過去 3 億年にわたる堆積物の有機物保存におけるおそらく 1 年間の変動がわずか約 63 Tg C であることを考慮すると、海洋への鉄とマンガンの変動投入量が、地質学的に地球全体の OC 保存にこれまで知られていない重大な影響を与える可能性があると提案します。時間。

海洋堆積物中の有機炭素 (OC) を地質学的期間にわたって保存するには、OC が微生物の再石灰化を回避する必要があり、そうでなければ有機炭素は溶解した無機炭素および/または二酸化炭素に変換されます7。 この前提はすべての OC 保存メカニズムの中心であり、OC が本質的に安定しているか、微生物の分解に対して安定に作られていることが必要です7。 後者の保存経路は、ほとんどの場合、OC とミネラルマトリックスとの相互作用に関連しています 4,8 が、他の経路には、不安定な形態から難解な形態への OC の変換も含まれる可能性があります 5。 メイラード反応15は、任意の還元糖と遊離アミノ酸を、N-置換環、カルボニル、カルボキシルおよびアミノ官能基を有する複雑な芳香族化合物（1,000 g mol-1以上）に重合させることができるため、そのような経路の1つです16（補足図1）。 我々がジオポリマー化物質（GPS）と定義するこれらの芳香族ポリマーは、微生物が直接摂取するには大きすぎ、より複雑な構造を持っているため、細胞の外で加水分解するのがより困難です（1,000 g mol−1を超える場合）。微生物の再石灰化を逃れ17、その結果、長期間にわたって環境中に残留する可能性があります。

ジオポリマー化が海洋堆積物中の OC 保存に顕著に貢献するには、メイラード反応速度が微生物の取り込みまたは還元糖およびアミノ酸の再石灰化と競合する必要があります 7。 しかし、海洋堆積物温度 (約 10 °C) 14 でのメイラード反応速度は非常に遅いと考えられています 9,10。 その結果、ジオポリマー化は OC 保存のメカニズムとしてはほとんど軽視されており、海洋堆積物における OC の埋没にとっては重要性はわずかであると考えられています 7,9,18。 しかし、より最近の研究では、土壌温度 (25 ～ 45 °C) で Mn 鉱物バーネサイト 11 と粘土 12 によってメイラード反応が触媒され、土壌環境に豊富に見られるものに似たフミン物質の生産量が増加することが示されています。 さらに、海洋および陸上システムでは、OC の循環が、溶解した Fe と Mn、鉱物の Fe と Mn (オキシ水) 酸化物の循環と密接に関連していることが知られており、Fe と Mn のこれらの反応性形態が示唆されています。 OC 分子と複合体を形成する可能性があり、これらの分子を再石灰化から保護し、数百年から数千年にわたって保存するのに役立ちます8,19。 Fe と Mn は OC の変換と保存において重要な役割を果たす可能性がありますが、Fe と Mn がメイラード反応を触媒し、海洋堆積物温度でジオポリマー化 OC の形成を促進する可能性があるかどうかは、これまで解明されていませんでした。