自元古宙以来，黏土矿物已成为海洋沉积物的重要组成部分，广泛参与诸多生物地球化学过程。大量研究表明，黏土矿物可能对某些沉积体系中生物软组织的保存乃至有机化石的形成具有重要作用。近年来的一些研究显示，富黏土的泥岩中的化石形成与黏土矿物密切相关，主要集中在标志性的伯吉斯页岩（Burgess Shale Formation），许多保存BST化石的寒武纪泥岩及其化石中，都含有丰富的黏土矿物（Anderson等，Geology，2018）。

　　自生黏土矿物被广泛认为可能有助于保存古海洋中的微生物遗体。例如，在前寒武纪海洋中，随着二氧化硅和金属（如铁和铝离子）浓度升高，微生物细胞可充当模板，诱导浓缩铁离子等金属离子形成金属氧化物，其与溶解硅进一步反应便产生自生黏土矿物。这些自生矿物覆盖于细胞表面，有助于其保存。而与自生黏土矿物相比，碎屑黏土矿物对于早期地球有机质保存的潜在作用受到较少关注。而实际上，近期基于化石记录的观察显示，碎屑黏土矿物在生物软组织保存中可能起着重要作用。例如，Anderson等（Interface Focus, 2020）采用同步辐射显微红外光谱等方法，证实了元古代微生物化石的形成与高岭石矿物颗粒有关。因此，水体中悬浮碎屑黏土颗粒对微生物细胞保存及其化石的形成具有潜在的重要作用，并进而对生物地球化学、元素循环和归趋产生重要影响，探明该过程中黏土矿物与微生物之间的界面作用机制对于理解上述地球化学和环境地质过程具有重要意义。

　　针对该问题，中国科学院矿物学与成矿学重点实验室刘红昌、袁鹏、刘冬等研究人员以蒙脱石、伊利石和高岭石为模型黏土矿物，以蓝藻（蓝细菌）为模型浮游微生物，模拟了蓝藻与黏土矿物的界面作用及其对蓝藻聚集和保存的影响；并探索了环境中溶解Si（Na₂SiO₃）、Al（NaAlO₂和AlCl₃）和Fe（FeCl₃）的浓度对含悬浮黏土矿物海水中蓝藻聚集沉降的影响机制。

　　该研究发现：（1）海洋环境中悬浮碎屑黏土颗粒对丝状蓝藻和黏土之间共团聚体的形成及其随后的沉积保存起着关键作用。黏土矿物颗粒和蓝藻的表面性质，特别是蓝藻和黏土矿物荷电表面间的静电吸引，是蓝藻-黏土共聚的主要驱动力；（2）蓝藻分泌的活性有机物质中-COOH基团的脱质子化和H+的释放，导致了黏土矿物颗粒的局部溶解乃至其结构无序化；（3）与悬浮黏土相比，溶解离子（硅、铝或铁）虽然对蓝藻-黏土共聚体的形成有促进作用，但较黏土颗粒对共团聚起到的作用次要。该研究从微观层次证明了黏土矿物颗粒对蓝藻的聚集和沉降保存具有重要影响，发现了海洋环境中黏土矿物在蓝藻作用下的微生物溶解现象，为理解所涉海洋沉积体系中有机质的保存和硅等元素的地球化学循环等过程提供了新的依据。

图1 蓝藻在不同浓度（0、0.1、1.0、10、20 mg/L）的含悬浮蒙脱石海水中培养时其叶绿素a含量的变化曲线

图2 蓝藻在含10 mg/L蒙脱石海水中培养第3天时所形成的团聚体的TEM图（a）；SAED分析（b）；及元素分布（b, c）

图3 蓝藻-黏土矿物颗粒共聚体形成的机制示意图

　　（a）所示为含悬浮黏土的海水中培养的蓝藻（示意图）（b）为蓝藻-黏土共聚体的形成机制示意图；其中，左边的放大图显示的是黏附于蓝藻表面及蓝藻细胞间接触区的黏土颗粒，右边的放大图显示的是填充于蓝藻空隙中的黏土团聚体，中间的放大图为蓝藻表面活性基团与黏土矿物的界面作用（以蒙脱石为例）

　　研究论文发表于地学主流期刊Chemical Geology，论文第一作者为刘红昌博士，通讯作者为袁鹏研究员。该工作获得国家高层次人才特殊支持计划领军人才项目、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会优秀会员和博士后创新人才支持计划等项目的资助。

　　论文信息：Hongchang Liu, Peng Yuan, Dong Liu, Weiwei Zhang, Qian Tian, Hongling Bu, Yanfu Wei, Jinlan Xia, Yinchu Wang, Junming Zhou. Insight into cyanobacterial preservation in shallow marine environments from experimental simulation of cyanobacteria-clay co-aggregation. Chemical Geology. 2021(577)120285.

　　论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120285

(中国科学院矿物学与成矿学重点实验室供稿)