麻省理工学院劳伦·欣克尔 天一黄从尼斯金瓶海水样本信用:凯尔西凯恩 发现于珠宝、汽车零件、颜料和工业化学反应中，金属铬及其化合物常因其颜色、光洁度、防腐和催化性能而被使用
目前，来自麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的地球科学家和古海洋学家正在寻找该清单的另一个用途:作为一种检查保存在海底古记录中的古代地球海洋和大气化学变化的方法
更具体地说，他们想重建大约2
以及它们对海洋的影响
由于生物学和环境密切相关，这些信息可以帮助阐明地球的生命和气候是如何进化的
虽然研究人员已经广泛应用铬作为工具来理解围绕这一全球转变的岩石记录，但他们仍在研究不同的化学信号意味着什么
这对于评估海洋沉积物尤其如此，它可以揭示氧气开始渗透并在海洋中形成的时间和地点
然而，迄今为止，古科学家在很大程度上缺乏对微量铬如何在现代含氧海洋中机械相互作用和循环的理解，更不用说早期海洋了——这是任何解释都需要的一个关键组成部分
最近发表在《美国科学院院刊》上的一项研究是由麻省理工学院-伍兹霍尔海洋研究所联合项目组领导的，该项目组的成年学生黄天一研究了这种微量金属作为氧的古替代品的前景
为此，研究小组跟踪了氧敏感的铬同位素是如何循环的，以及它们是如何在热带太平洋缺氧的水域中被化学氧化或还原的，这是早期厌氧海洋的模拟
他们的发现有助于证实铬追踪是地质学工具箱中的一种可靠工具
“人们已经看到，地质记录中的铬同位素可以追踪大气中的氧含量
但是，因为你用埋藏在沉积物中的东西来解释大气中发生的事情，所以两者之间缺少一个环节，那就是海洋，”黄说
此外，“铬循环如何改变我们对地质记录的解释
" 麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的海洋地球化学教授埃德·博伊尔说:“人们对地球上氧气的演化知之甚少，但它对复杂的多细胞生物的发展和生存至关重要。”。麻省理工学院-WHOI联合项目主任；和西蒙·莫斯博士一起研究合著者
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“此外，人们对过去几十年来海洋中海洋氧含量的下降一直感到担忧，我们需要工具来更好地了解海洋的氧动态
" 弥合差距 几十亿年前，当地球及其大气基本上没有分子氧(O2)时，化学反应和生物代谢会发生在化学还原的厌氧环境中
在长达数百万年的大氧化事件中，全球范围内的氧气水平上升，生命也随之转变
此外，环境在很大程度上变成了一个被氧化的环境，与生锈和自由基等压力过程作斗争
一些证据表明，涉及铬的化学反应通过对其同位素铬-52和铬-53及其氧化态(主要是三价还原形式的铬(ⅲ)和六价氧化形式的铬(ⅵ))的影响跟踪这一过程
后者更有可能出现在含氧的表层海水中，被认为是对健康和环境的危害
以前的研究表明，上层海洋往往比较轻的海洋有更多的重同位素，这表明海洋微生物优先吸收了一些重同位素
黄指出，问题在于铬从河流进入海洋后，科学家们并不真正了解这些观察结果背后的机制，也不知道这些趋势是否一致
她说，在今天缺氧的水中，“铬可能会减少，我们想知道这一过程的同位素信号和其他可能留下同位素指纹的铬过程
" 为了研究这些现象，黄参加了两次前往热带北太平洋东部缺氧区(ODZ)的考察航行，收集了从海洋横断面向下3500米的海水样本的垂直剖面
这些海水样品中的一些被冷冻，以分析三价和六价铬的浓度
在运回实验室后，这些样品被解冻和纯化
该小组分析了三价铬样品的同位素组成
然后，他们对六价铬样品进行酸化，将其转化为三价铬，然后进行与之前相同的同位素分析
研究人员还测量了样品中的总铬，以解释臭氧消耗区域内的任何化学转化或迁移
在加上另一次巡航的数据后，博伊尔、莫斯和黄检查了各种同位素在深度范围内的比例，并与平均分配进行了比较，以查看在ODZ的特定区域是否有任何富集，以及它存在于哪个氧化态
他们将此与样本的氧气水平对比，并将结果放在已知海洋特征的背景下，以帮助解释铬是如何循环的
铬循环的基本事实 海洋学家发现了一种模式
在表面氧化的海洋中，六价铬被消耗掉，可能是被微生物生命消耗掉，并被运送到更深处的臭氧消耗区域
在200米标记附近，金属开始在海水中积累，较轻的同位素铬-52优先被还原
这个深度恰好与产生亚硝酸盐的厌氧反硝化微生物相吻合
黄说，这可能是氮和铬循环纠缠在一起的迹象，但这并不排除其他生物或非生物机制，如铁还原，可能影响海洋沉积物记录
不过，铬不会永远留在这里
数据显示，大部分铬在90至800米的缺氧区停留了大约20至50年，其中一小部分附着在下沉的颗粒上，沉入深海，那里有更多的溶解氧，后来氧化成六价铬
在这里，它可以开始与沉积物结合和相互作用
“我认为令人兴奋的是，我们能够确定铬(氧化)的种类，并由此计算出它的同位素分馏，”黄说
“以前没有人这样做过
" 黄说，他们的工作有助于验证铬是不同氧化还原环境的指标
“我们看到了这个信号，它没有消失
“此外，它似乎随着季节的变化而变化
然而，该团队还没有被说服
他们计划在世界各地的其他缺氧地区测试这一点，看看是否会出现类似的铬信号，并研究携带三价铬的下沉颗粒和海洋沉积物表面的成分，以便更全面地了解海洋的参与
目前，他们建议不要下结论，但对其潜力保持谨慎乐观
“我认为人们需要更加谨慎地解读这个代理，”黄说
“决定测量结果的可能不仅仅是大气中的氧气，但海洋中可能还有其他[生物或非生物]过程可以改变他们的古记录
“所以，他们建议不要过多解读古记录中的铬信号
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