趋磁细菌磁小体链磁各向异性及岩石磁学等指示意义被揭示
趋磁细菌是迄今确证唯一能执行生物控制矿化和利用地磁场的原核微生物，它们能沿地磁场定向游弋，在细胞内合成链状排列、单磁畴(SD)磁铁矿(Fe3O4)或胶黄铁矿(Fe3S4)晶体颗粒(磁小体)。研究现代趋磁细菌对认识生物矿化和生物地磁响应的演化历史和发生机制具有重要科学意义;识别古老沉积物或岩石中趋磁细菌遗迹(化石磁小体)，有望为古地磁和古环境学研究提供更稳定的磁信号载体，也可为追溯早期地球或地外行星(如火星)生命提供新的生物标识物。
中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室、中-法生物矿化与纳米结构联合实验室李金华副研究员和古地磁与年代学实验室(PGL)博士生葛坤鹏等人合作，在实验室将趋磁细菌排列制备成定向磁小体链样品(图1)，系统测量了定向磁小体链的常温和低温岩石磁学性质(图2)，并结合微磁结构模拟，研究了磁小体链的磁化行为和磁学性质(图3)。结果表明：(1)磁小体磁铁矿拉长并沿颗粒长轴排列成链，产生显著的磁各向异性，能有效制约链内颗粒的磁化方向(等效为一个USD颗粒)。研究还首次表明，磁小体链磁化方向的反转具有外加磁场强度和方向双重依赖性，在靠近磁小体链方向变化外加场强度和方向时，其磁化方向的反转遵守球链模型的非一致转动模式(Non-coherent reverse in the model of chain of sphere)，而在接近垂直链方向上，其磁化方向则逐渐变为一致转动(图3)。(2)磁小体链的磁各向异性显著影响样品的宏观磁学性质，其磁滞回线(Hysteresis loop)、饱和等温剩磁(IRM)获得和退磁曲线、一阶反转曲线图(FORC图)、低温磁学性质(ZFC、FC和LTC曲线)及其Vewery转换行为均具有显著的方向依赖性。相应磁学参数，包括矫顽力(Bc)、剩磁矫顽力(Bcr)、饱和剩磁(Mrs)、剩磁比(Mrs/Ms)、FORC特征矫顽力(Bc,FORC)、Moskowitz检验(δFC、δZFC和 δ比)等均随加场测量角度ψ的增加而系统变化(图2和4)。(3)定向磁小体链的磁学性质的各向异性与样品内磁小体链的定向程度密切相关，相比较，Mrs/Ms似乎比Bc对磁小体链的定向排列更为敏感，微弱的定向就会引起Mrs/Ms 显著的各向异性。这表明，在识别和应用化石磁小体时，我们不能忽视样品可能的定向及其产生的磁学效应。
结合他们前期在提纯磁小体链(Li et al., 2012, G-cubed)和子弹头磁小体链束(Li et al., 2010, EPSL)的部分研究成果，本研究进一步提供了详实的数据，厘定了单磁畴磁铁矿的颗粒晶型(尺寸和晶体拉长)和空间排列(链结构、定向和浓度)对几个重要岩石磁学参数(如Verwey转换、Day图和FORC图)的影响(图4)，首次实验证实了Bc,FORC 与Bcr(而不是Bc)在表征样品矫顽力上具有等效性。这些成果为探讨趋磁细菌响应地磁场机理提供了物理证据，也为化石磁小体识别提供了重要磁学判据，还为这些磁学参数的解释提供了实验证据。
该研究成果在线发表在国际地学期刊Geochemistry Geophysics Geosystems上(Li et al. A very strong angular dependence of magnetic properties of magnetosome chains: Implications for rock magnetism and paleomagnetism. Geochemistry Geophysics Geosystems, 2013, 14(10): 3887-3907, doi: 10.1002/ggge.20228)。
图1 趋磁细菌AMB-1定向样品的扫描电子显微镜照片
图2 定向AMB-1全细胞样品的磁滞参数随测量角度变化
图3 磁小体链的微磁模拟结构
图4 磁小体链的空间排列(定向或坍塌)对Day图和SC图的影响
