金屬鉻及其化合物通常用于珠寶，汽車零件，顏料和工業(yè)化學(xué)反應(yīng)中，由于其顏色，表面處理以及防腐和催化性能而經(jīng)常使用。目前，麻省理工學(xué)院和伍茲霍爾海洋學(xué)研究所(WHOI)的地球?qū)W家和古海洋學(xué)家正在尋求對該清單添加另一種用途：作為一種檢查古地球海洋和大氣層中保存的海床古記錄中化學(xué)變化的方法。更具體地說，他們想重建始于約24億年前的大氣中氧氣含量的上升及其對海洋的影響。由于生物學(xué)和環(huán)境緊密地交織在一起，因此這些信息可以幫助闡明地球的生命和氣候如何演變。

盡管研究人員已廣泛使用鉻作為了解這一全球過渡過程中巖石記錄的工具，但他們?nèi)栽谘芯坎煌瘜W(xué)信號的含義。對于評估海洋沉積物尤其如此，它可以揭示氧氣在何時何處開始滲透并在海洋中形成。然而，直到現(xiàn)在，古生物學(xué)家仍對微量的鉻在現(xiàn)代的含氧海域中如何以機(jī)械方式相互作用和循環(huán)的知識缺乏了解，更不用說早期的海洋了-這是任何解釋所需要的關(guān)鍵組成部分-直到現(xiàn)在。

最近發(fā)表在《國家科學(xué)院院刊》上的研究，由麻省理工學(xué)院-伍茲霍爾海洋研究所合計(jì)劃研究生黃天一領(lǐng)導(dǎo)，研究了痕量金屬作為氧氣的古過氧化物的前景。為此，研究小組追蹤了對氧敏感的鉻同位素的循環(huán)方式，以及如何在熱帶太平洋中缺氧的水域中對氧敏感的鉻同位素進(jìn)行化學(xué)氧化或還原，這是早期厭氧海的類似物。他們的發(fā)現(xiàn)有助于驗(yàn)證鉻的追蹤是地質(zhì)工具箱中可靠的工具。

“人們已經(jīng)看到，地質(zhì)記錄中的鉻同位素可以追蹤大氣中的氧氣水平。但是，由于您使用的是沉積物中沉積的東西來解釋大氣中發(fā)生的事情，因此兩者之間存在缺失的系，那就是海洋。”黃仁勛說。此外，“鉻循環(huán)如何改變我們對地質(zhì)記錄的解釋。”

麻省理工學(xué)院地球，大氣與行星科學(xué)系(EAPS)海洋地球化學(xué)教授埃德·博伊爾(Ed Boyle)表示：“地球上氧氣的釋放僅是一種粗略的方式，但對復(fù)雜的多細(xì)胞生命的發(fā)展和生存至關(guān)重要。” ); 麻省理工學(xué)院-世界衛(wèi)生組織合計(jì)劃主任;和研究合著者，西蒙妮·莫斯(Simone Moos)博士。'Elementar Corporation的'18。“此外，人們對過去幾十年來海洋中海洋氧氣水平不斷下降的關(guān)注仍在持續(xù)，我們需要工具來更好地了解海洋的氧氣動力學(xué)。”

縮小差距

數(shù)十億年前，當(dāng)?shù)厍蚣捌浯髿鈱踊旧蠜]有分子氧(O2)時，化學(xué)反應(yīng)和生物代謝將在化學(xué)還原的厭氧環(huán)境中發(fā)生。在發(fā)生了數(shù)百萬年的大氧化事件中，全行星范圍內(nèi)的氧氣水平上升，生命也相應(yīng)地發(fā)生了轉(zhuǎn)變。此外，環(huán)境在很大程度上變成了一種氧化環(huán)境，從而應(yīng)對了諸如生銹和自由基之類的應(yīng)力過程。

一些證據(jù)表明，涉及鉻的化學(xué)反應(yīng)通過影響其同位素鉻52和鉻53以及它們的氧化態(tài)(主要是三價還原形式的Cr(III)和六價氧化的一種Cr)來跟蹤此過程。 VI)。后者更可能存在于含氧的表層海水中，被認(rèn)為對健康和環(huán)境有害。先前的研究表明，上層海洋的同位素比淺層海洋的同位素更重，這表明海洋微生物會優(yōu)先吸收某些同位素。Huang指出，問題在于，鉻從河流進(jìn)入海洋后，科學(xué)家們才真正不知道這些觀察結(jié)果背后的機(jī)理以及趨勢是否一致。她說，在當(dāng)今缺氧的水中，“鉻有可能被還原，

為了研究這些現(xiàn)象，Huang參加了兩次研究航行，前往北太平洋東部熱帶地區(qū)的缺氧區(qū)(ODZ)，并收集了距海面3500米以下的海水樣品的垂直剖面。這些海水樣品中的一些被冷凍，以分析三價鉻和六價鉻的濃度。運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，將這些樣品解凍并純化。該小組分析了Cr(III)樣品的同位素組成。然后，在進(jìn)行與以前相同的同位素分析之前，他們酸化了Cr(VI)樣品，將其轉(zhuǎn)換為Cr(III)。研究人員還測量了樣品中的總鉻，以能夠解釋ODZ內(nèi)的任何化學(xué)轉(zhuǎn)化或遷移。加上其他巡洋艦博伊爾，穆斯的數(shù)據(jù)后，

鉻循環(huán)的基本事實(shí)

海洋學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個圖案。在表面充氧的海洋中，可能由于微生物生命而消耗了六價鉻，并更深地運(yùn)輸?shù)絆DZ中。在200米大關(guān)附近，金屬開始在海水中積累，并且較輕的同位素鉻-52被優(yōu)先還原。該深度恰好與產(chǎn)生亞硝酸鹽的厭氧，反硝化微生物相吻合。黃說，這可能表明氮和鉻的循環(huán)相互糾纏，但這并不排除其他生物或非生物機(jī)制(如鐵還原)可能會影響海洋沉積物記錄。

不過，鉻不會永遠(yuǎn)留在這里。盡管數(shù)據(jù)顯示，大部分空氣停留在缺氧區(qū)，從90米延伸到800米，持續(xù)了20到50年，但其中一小部分附著在下沉的顆粒上，沉入深海，那里溶解的氧氣更多。 ，然后氧化回六價鉻。在這里，它可以開始吸收沉積物并與之相互作用。

Huang說：“我們能夠確定鉻的[氧化]種類令人興奮，并由此可以計(jì)算出其鉻的同位素分餾。” “以前沒有人以這種方式做到這一點(diǎn)。”

Huang說，他們的工作有助于驗(yàn)證鉻作為不同氧化還原環(huán)境的指標(biāo)。“我們正在看到這個信號，并且它并沒有消失。” 此外，在各個季節(jié)中似乎保持一致。但是，團(tuán)隊(duì)尚未說服。他們計(jì)劃在世界其他缺氧地區(qū)進(jìn)行測試，以查看是否出現(xiàn)類似的鉻信號，并研究帶有三價鉻的沉沒顆粒的成分和海洋沉積物表面，從而獲得更全面地了解海洋的參與情況。

目前，他們不建議得出結(jié)論，但對它的潛力持謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度。Huang說：“我認(rèn)為人們需要更加謹(jǐn)慎地解釋這個代理人。” “可能不是純粹依靠大氣中的氧氣來確定測量結(jié)果，但是海洋中可能還有其他(生物或非生物)過程可能會改變其古記錄。” 因此，他們建議不要過多地讀取古記錄中的鉻信號。