近日，《Geochimica et Cosmochimica Acta》期刊发表了我室副教授Simon Hohl与合作者的文章：“Combined Ba-Cd isotope tracer in microbialites records biogeochemical metal cycling changes as a response to the Middle Miocene Badenian Salinity Crisis”。
该研究基于中中新世副特提斯洋奥伯普伦多夫盆地（the Oberpullendorf Basin of the Parathetys）Rabenkopf剖面微生物岩中的Ba-Cd同位素体系，发现中中新世巴登盐度危机（the Badenian Salinity Crisis）期间，环境局限性及强蒸发作用导致的极端条件下，微生物活动并未停止，而是通过调整代谢方式以适应环境，同一时期形成了丰富的微生物岩记录。该研究强调了宏量及微量营养元素可利用性及微生物适应环境变化能力，在地球历史气候环境重大转变期间的重要作用。
叠层石作为微生物岩的一类，是理解微生物圈、水圈和大气圈复杂相互作用的重要地质档案。中中新世巴登盐度危机是副特提斯地区一场严重的气候环境危机，造成广泛蒸发作用与后生动物退化，而同一时期微生物却能维持活性并持续形成微生物岩。由此引出一系列的科学问题：在此极端环境下，盆地连通与封闭变化如何影响微生物栖息地中的营养盐供应？营养盐的供应如何影响微生物群落代谢方式（光合自养或异养）的转变？新型稳定金属同位素（Ba、Cd）能否有效记录这些变化？
为寻求以上问题的合理解释，该研究选取奥地利上普伦多夫盆地Rabenkopf剖面的Ritzing组叠层石为研究对象，采用Ba-Cd同位素体系，并结合已发表的碳（C）、氮（N）、硫（S）同位素及微量元素数据，推算新近纪极端环境下盆地连通性与微生物群落营养盐可利用性的关系，进而探究盆地不同连通条件下（开放/局限）微生物群落代谢方式的转化。
结果显示：Ba和Cd同位素指标并无相关性，表示两者对应不同的代谢过程；Ba同位素与S同位素趋势一致，因此主要示踪硫酸盐循环与重晶石（再）矿化过程；Cd同位素主要示踪营养盐摄取情况与初级生产力，与N同位素趋势相关但机制不同。稀土元素（REY）和N同位素作为短期替代指标，记录了短期海水/淡水混合事件。相比之下，S、Ba和Cd同位素指标反应较慢，更多反映盆地长期封闭/开放状态的累积效应。
图1. Ritzing组叠层石碳酸盐相痕量金属及氮（N）、硫（S）、镉（Cd）、钡（Ba）同位素组成的变化特征
据此，可进一步推论：伴随淡水输入的局限环境下形成的叠层石记录了较轻的Cd、Ba和S同位素组成，C同位素组成显示一定变化但始终保持负值；结合Ba和Cd元素含量升高的趋势，可推断此时微生物群落内部通过细菌硫酸盐还原作用（BSR, bacterial sulphate reduction）或嗜盐菌介导（halophilic bacteria-mediated）的重晶石溶解作用发生了渐进性再矿化；与之相反，开放盆地条件下叠层石记录对应更重的Ba、Cd及S同位素组成，推测海相环境下轻Ba同位素在胞外聚合物（EPS）内部形成微晶重晶石，而重Ba同位素进入叠层石自生碳酸盐组分，此时Cd同位素分馏受瑞利分馏主导。
S同位素表现出与Ba同位素组成一致的混合趋势。较重的S和Ba同位素与开放海洋环境下海水输入驱动的重晶石形成相关；而较轻的同位素组成则指示局限环境下河流输入及持续的异养微生物代谢导致的重晶石溶解。
图2. Ritzing组叠层石碳酸盐相Ba同位素组成与S同位素组成协变关系
Cd同位素组成特征表明，在开放盆地条件下微生物栖息地存在较高的初级光合生产力，其重同位素组成已达到现代表层海洋水平。相反，在限制性条件下，叠层石Cd同位素组成偏轻，且Cd浓度较高，表明当时Cd的可利用性不受限。
图3. Ritzing组叠层石碳酸盐相Cd同位素组成与Cd浓度的关系及Cd分馏模式图
该研究揭示，新型稳定金属同位素体系，尤其是Ba–Cd同位素示踪方法，为解析极端环境压力下营养物质波动提供了新的窗口；该研究不仅加深了对古代微生物生态系统在环境变化，特别是营养供给波动与极端环境压力响应机制的认识，也为气候变化背景下现代濒危微生物栖息地的研究与保护提供了重要科学依据。
该论文第一作者兼通讯作者为我室Simon Hohl副教授，合作者包括南京大学吝祎勃博士，柏林自由大学Philipp Gleissner博士，英国圣安德鲁斯大学Eva Stüeken副教授，中国石油杭州地质研究院蒋宇翔博士及汉诺威莱布尼茨大学Sebastian Viehmann副教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金外国资深学者研究项目和同济大学中德合作2.0战略计划的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.01.027
撰稿：Simon Hohl，胡馨月，黄舒雅