作者：林立虹
化學風化作用是透過水岩反應，將礦物溶解並剝蝕岩體的近地表作用。過去諸多實驗室與野外尺度的觀察顯示，矽酸鹽礦物的風化作用，扮演調控地質時間尺度二氧化碳循環重要的機制。其原理是因大氣中的二氧化碳溶入水體產生碳酸，解離產生氫離子，促使矽酸鹽礦物溶解，釋出礦物成分至河系與海洋，最終溶解態的二氧化碳與鈣、鎂離子反應，形成碳酸鹽礦物沉澱，造成大氣二氧化碳的淨輸出並形成碳匯。過去的研究甚至將這樣的機制與主要的造山運動連結（例如喜馬拉雅山），用於推論新生代全球性的降溫。
另一重要的化學風化機制，則是透過黃鐵礦氧化產生硫酸，進而溶解碳酸鹽礦物、產生氣態二氧化碳或碳酸氫根，最終伴隨於海洋的碳酸鹽礦物沉澱釋出二氧化碳，造成二氧化碳淨輸出，與矽酸鹽風化對碳循環的效應相反。近年的研究更指出，這樣的機制於活動造山帶，透過快速抬升與侵蝕，加速常見於沈積岩或是變質岩中的黃鐵礦與地表水或是淺部地下水反應，最終促成大量二氧化碳排放，超過矽酸鹽礦物風化造成的碳匯通量，形成溫室效應。然而過去的研究也指出這樣的無機作用，在近地表環境可能速度緩慢，因此推測微生物作用較容易克服活化能的限制，加速黃鐵礦風化的進行。迄今仍僅有非常有限的野外尺度觀察，來探討或驗證這樣的假說。若微生物作用果真扮演黃鐵礦風化重要的角色，則這樣的作用會發生在集水區什麼位置？什麼樣的生物可以媒介這樣的反應？速度為何？仍多屬未知。
為了回答這些問題，我們採集了台灣東部新武呂溪集水區各類型的樣本，分析水體溶質濃度與同位素成分、微生物族群組成與濃度。我們的結果顯示，新武呂溪集水區的化學風化作用是由黃鐵礦氧化所驅動的碳酸鹽礦物溶解主控，並造成二氧化碳淨排出。基因分析進一步發現，於高低水位時期的微生物族群組成大相逕庭，特別是在高水位時期，以Sulfuricurvum與 Thiobacillus硫氧化菌為主，佔比最高可達近80%，相較之下，於低水位時期，這兩菌屬則由其他菌群取代。這兩菌屬的通量亦與沈積物或是硫酸鹽通量呈現高度正相關。
綜合這些資料指示，這兩菌屬最可能棲息於集水區容易侵蝕之材料，例如崩塌堆積物、河岸沈積物、河床或是河岸基岩的裂隙，活躍的將變質岩中的黃鐵礦氧化成硫酸並溶解碳酸鹽礦物，於暴雨時期，原存於孔隙或是裂隙的大量溶質（包括硫酸鹽與二氧化碳）與微生物族群，與容易被侵蝕的材料（例如沈積物）被搬運至河道，進而被偵測。這樣的過程與機制所產生的碳排通量，為全球平均值的百倍以上，顯示於環太平洋地體構造活躍之島嶼山脈，複雜微生物—水文—地質的交互作用，可能對現代與地質時間尺度的全球碳循環扮演重要的角色。
這個工作的詳細內容可以參考以下連結，從發想至概念形成，經歷了許多不同的思考，要感謝實驗室不同時期的人（包括現在所有的成員），參與反覆辯證與討論，更於颱風、下雨或是大太陽下採樣、熬夜處理樣本，於實驗室進行精確且多樣的分析。更要感謝共同作者，出腦、出力、出錢。這個工作奠基了實驗室後續各種工作的推動，讓我們對島嶼山脈的集水區碳循環有更深入的理解。
參考資料：Microbial communities modulate chemical weathering and carbon dioxide cycling in an active orogen in Taiwan, https://www.nature.com/articles/s43247-024-01345-3