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研究背景：

埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期是地球环境和生命演化的重要转折点。这一时期，全球海平面上升、海洋氧化还原条件波动剧烈，导致生物灭绝与辐射事件频发。特别是埃迪卡拉生物群和小壳动物群的相继灭绝，与碳同位素多次显著负偏移（如BACE和SHICE事件）密切相关。这些碳同位素异常通常被认为是深部缺氧水体上升或火山活动释放CO₂的结果，但其具体机制仍存在争议。传统观点认为，早寒武世浅海缺氧事件的扩张导致有机碳埋藏减少，从而引发碳同位素负偏移。然而，这一解释未能充分揭示碳-氮循环之间的耦合关系及其对生物地球化学过程的调控作用。

氮作为生命必需元素，其循环对海洋环境变化高度敏感。传统研究主要依赖沉积有机氮同位素（δ¹⁵N_bulk）解析古海洋氮循环，但受多种复杂过程叠加影响，结果难以准确反映真实情况（图1）。近年来，研究发现沉积氮不仅存在于有机质中，还可通过固定铵（NH₄⁺）形式进入硅酸盐矿物晶格，形成“硅酸盐结合氮”。这一无机氮形式在成岩过程中稳定性较高，能够独立记录海洋氮循环的关键信息。特别是对厌氧氨氧化（Anammox）等特定代谢途径的信号捕捉，为重建古海洋氧化还原结构和碳-氮耦合机制提供了新视角。

图1 现代海洋复杂的氮生物地球化学过程

研究过程及研究意义：

开元游戏 陈法锦教授、曹瀚升副教授及其课题组成员，以华南板块千米深钻为研究对象（图1），通过高分辨率硅酸盐结合氮（δ¹⁵N_silicate）与干酪根结合氮（δ¹⁵N_kerogen）对华南扬子地块下寒武统严家河组至石牌组进行高分辨同位素分析，旨在揭示寒武纪早期古海洋氮循环过程及碳—氮循环耦合机制。

图2 早寒武世全球古地理图及华南板块沉积环境

结果显示，在SHICE事件期间，δ¹⁵N_kerogen显著负偏（最低达-1.3‰），而δ¹⁵N_silicate则异常正偏（峰值达+9.5‰），两者偏移幅度高达10‰（图3）。结合铀（U）、钼（Mo）等氧化还原敏感元素，研究证实该时期扬子地区底层水体广泛缺氧，表明厌氧铵氧化作用是导致该时期δ¹⁵N_silicate快速正偏的直接诱因，也代表了厌氧区存在大量且活跃的厌氧铵氧化细菌。

图3 华南寒武纪早期多形态氮同位素化学地层序列曲线

这一发现揭示了化学自养微生物活动在碳-氮循环耦合中的关键作用（图4）。厌氧氨氧化菌作为化学自养微生物，优先利用¹⁴NH₄⁺参与反应，导致残余NH₄⁺富集¹⁵N，并通过硅酸盐固定保存下来；同时，其代谢产生¹²C富集有机质进一步驱动了碳同位素负偏移。在埃迪卡拉纪-寒武纪有机质中缺乏可靠的生物标志化合物情况下，并提出厌氧铵氧化细菌等化能自养菌的繁盛可能是导致该时期海水有机碳库碳同位素（δ₁₃C_org）断崖式负偏的重要原因之一，创新性利用硅酸盐结合氮同位素，为古海洋氮循环重建提供了新方法—多形态氮同位素，可以有效揭示功能性细菌的活动证据。

图4 华南寒武纪早期古海洋氮循环过程的概念模型

研究成果：

该成果“Regulation of carbon-nitrogen cycle by chemoautotrophic bacteria during the early Cambrian: Evidence from the silicate-bound nitrogen in the Yangtze Block, South China”于2025年发表在国际地学领域著名期刊Precambrian Research （中科院二区TOP期刊）。广东海洋大学为论文第一单位，曹瀚升副教授为第一作者，陈法锦教授为通讯作者。研究获国家自然科学基金、广东省自然科学基金等资助。

Citation: Cao, H.S, Huang, H.L, Wang, Z.Y, Chen, F.J, Wei, K., Hou, Q.H, Chen, C.Q., 2025. Regulation of carbon–nitrogen cycle by chemoautotrophic bacteria during the early Cambrian: Evidence from the silicate-bound nitrogen in the Yangtze Block, South China. Precambrian Research, 418, 107703.

全文链接：//doi.org/10.1016/j.precamres.2025.107703