深海多金属结核富含镍、钴、铜、锰等金属元素，是极具经济价值的矿产资源，主要分布在太平洋、大西洋和印度洋的深海平原。同时，多金属结核生长较为缓慢，且与多种微生物相互作用。因此，多金属结核能够记录区域生物地球化学循环的关键信息，是古环境和古地磁研究的理想材料。趋磁细菌是一类具有系统发育多样性的功能微生物群，能够在细胞内合成生物膜包被的纳米尺寸磁铁矿或胶黄铁矿颗粒，称为磁小体。利用磁小体，趋磁细菌能够感知并沿着地磁场定向游泳，并通过在水体的有氧-无氧过渡带上下穿梭获得生长所需的物质和能量，同时促进周围环境C、N、P、S、Fe等元素的生物地球化学循环。前人研究表明，多金属结核中存在大量由趋磁细菌生成的磁小体，并且在其周围表层沉积物中也检测到了趋磁细菌的基因（Dong et al., 2016; Jiang et al., 2020; Yuan et al., 2020）。这些发现为趋磁细菌在多金属结核形成中的作用提供了直接证据，暗示微生物活动可能与结核生长密切相关。然而，由于沉积物中磁小体与其他来源的磁性矿物混合，并受到埋藏压实等地质改造的影响，造成了其量化识别极为困难，进而限制了对趋磁细菌与多金属结核相互作用的深入理解。

最近，中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员团队与国内外合作者，综合运用岩石磁学、电子显微学和地球化学技术，对32个不同点位的表层沉积物开展了研究（图1），量化识别了磁性矿物的类型及其空间分布特征，发现多金属结核的分布与趋磁细菌磁小体丰度之间存在相关性，为理解多金属结核生长过程中的微生物-矿物相互作用提供了新证据，也为深入认识深海趋磁细菌生态分布规律及其参与和记录的生物地质过程提供新线索。

图1 太平洋研究区域地质图及采样点位

系统的扫描和透射电子显微镜分析表明，样品中的磁性矿物主要由三大来源组成：陆源风尘、火山热液形成的碎屑成因磁性矿物和趋磁细菌成因的生物磁铁矿（磁小体）。其中，北部区域的沉积物主要由碎屑磁铁矿组成，而生物成因磁小体数量极少（图2a-图2f）。相比之下，中部区域的沉积物中，磁小体数量显著增加，并与碎屑磁铁矿共存（图2g-图2l）。而在最南部的样品中，几乎完全由生物成因的磁小体组成，少见碎屑磁铁矿（图2m-图2q）。

图2 东太平洋多金属结核区表层沉积物的电子显微学结果 北部区域(样品S1)、中部区域（样品S16）、南部区域（样品S32)

在基于系统电子显微学和地球化学分析精确识别样品中磁性矿物来源的基础上，他们对32个表层沉积物样品进行了FORC-PCA的三端元分解分析，结果表明：（1）东太平洋多金属结核区的风尘来源的磁性矿物浓度呈现出从北向南、从东向西逐渐减少的趋势（图3a），这表明中纬度西风带和东北信风共同推动了碎屑矿物的迁移；（2）火山成因的磁铁矿含量从西向东、从北向南逐渐减少势（图3b），这与南极底层水对莱恩群岛和夏威夷群岛的侵蚀作用密切相关；（3）生物成因磁小体的丰度与多金属结核的分布吻合（图3c、图3d），表明多金属结核水-岩界面富含有机质的轻度还原微环境为趋磁细菌的生存提供了理想条件（图4），进一步证明东太平洋多金属结核海底趋磁细菌的生长主要受到局部氧化还原条件的驱动。

图3 东太平洋多金属结核区不同来源磁性矿物含量和结核密度的空间变化特征

图4 东太平洋多金属结核区内的趋磁细菌生态分布模型

研究成果发表于国际学术期刊JGR: Solid Earth（刘延，刘双迟，Victor A. Piedrahita，刘沛余，何适，潘红苗，董逸，Andrew P. Roberts，冯连君，唐自华，肖天，潘永信，李金华^*. Insights into a correlation between magnetotactic bacteria and polymetallic nodule distribution in the eastern central Pacific Ocean [J]. JGR: Solid Earth, 2024, 129: e2024jB029062. DOI:10.1029/2024JB029062.）。研究得到国家自然科学基金（项目号：42225402, 41920104009 和 42388101）、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队项目（项目号：311022004）以及中国科学院地质与地球物理研究所自主部署项目（批准号：IGGCAS-202202）的资助。