Laboratório de Simulação de um ferro (II) rico em Precambrian Marinha Ressurgência do sistema para explorar o crescimento de bactérias fotossintéticas

O pré-cambriano (4,6-,541 Gy atrás) atmosfera experimentou uma acumulação gradual de fotossíntese produzido oxigênio (O _2), talvez pontuada por mudanças graduais na chamada "Grande Oxidação Event" (GOE) a cerca de 2,4 Gy atrás, e novamente no Neoproterozóico (1-,541 Gy atrás) como o ₂ atmosférico se aproximarem dos níveis modernos ^1. As cianobactérias são os restos evolucionários dos primeiros organismos capazes de fotossíntese aeróbica ^2. Geoquímicos estudos evidências e modelagem apoiar o papel dos ambientes costeiros rasos em abrigar comunidades ativas de cianobactérias ou organismos capazes de fotossíntese aeróbica ou fototróficas oxigênicos, gerando oásis de oxigênio locais na superfície do oceano abaixo de um ambiente predominantemente anóxica ^3-5.

A deposição de formações ferríferas (BIFs) a partir de água do mar ao longo dos pontos Precambrianos de ferro (II) (Fe (II)) como um importante geoquímico Constituent da água do mar, pelo menos localmente, durante a sua deposição. Algumas das maiores BIFs são depósitos de águas profundas, formando fora da plataforma e talude continental. A quantidade de Fe depositado é incompatível a partir de um ponto de vista o equilíbrio de massa com (ou seja, resistência) de origem predominantemente continental. Portanto, grande parte da Fé devem ter sido fornecidos de alteração hidrotermal de máfica ou fundo do mar ultramafic crosta ^6. As estimativas da taxa de Fe depositado popa dos ambientes costeiros são consistentes com Fe (II) fornecido à superfície do oceano através de ressurgência ^7. Para que Fe para ser transportado em correntes de ressurgência, deve ter estado presente na forma reduzida, mobile – como Fe (II). O estado de oxidação de Fe média preservada em BIF é 2.4 ⁸ e pensa-se geralmente que BIF preservar Fe depositado na forma de Fe (III), formado quando ressurgência de Fe (II) foi oxidado, possivelmente por oxigénio. Portanto, explorar Fe (II) mecanismos potenciais de oxidação ao longo environme inclinaçãonts é importante entender como BIF formado. Além disso, refinado caracterização geoquímica de sedimentos marinhos identificou que as condições ferruginosos, onde Fe (II) esteve presente em uma coluna de água anóxica, eram uma característica persistente dos oceanos em todo o pré-cambriano, e não pode ter sido limitado a apenas o tempo e lugar onde BIF foram depositados ^9. Portanto, há pelo menos dois bilhões de anos de história da Terra, interfaces de redox entre Fe (II) e O ₂ nos oceanos rasos eram susceptíveis comum.

Numerosos estudos utilizar sites modernos que são análogos químicos e / ou biológicos de características diferentes do oceano pré-cambriano. Um bom exemplo são lagos ferruginosos, onde Fe (II) é estável e presente nas águas de superfície iluminada pelo sol, enquanto a atividade fotossintética (incluindo por cianobactérias) foi detectado ^10-13. Os resultados destes estudos fornecem informações sobre as características geoquímicas e microbianas de um ico para anóxico / ferchemocline ruginous. No entanto, estes sites são geralmente fisicamente estratificada com pouca mistura vertical ^14, em vez de as interfaces químicas que ocorrem em um sistema de ressurgência, e são pensados ​​para apoiar a produção mais oxigênio no tempo pré-cambriano ^4.

Um análogo natural para explorar o desenvolvimento de um oásis de oxigênio marinho sob uma atmosfera anóxica, e por um (II) sistema de ressurgência rico em Fe na coluna de água de superfície iluminada pelo sol não está disponível na Terra moderna. Portanto, é necessário um sistema de laboratório que podem simular uma zona de ressurgência ferruginosas e também apoiar o crescimento de cianobactérias e photoferrotrophs. A compreensão e identificação de processos microbianos e sua interação com um meio aquoso ressurgência que representa a água do mar pré-cambriano promove a compreensão e pode complementar as informações obtidas a partir do disco de rock, a fim de compreender totalmente os processos biogeoquímicos distintivas na Terra antiga. </p>

Para esse fim, uma coluna de escala laboratorial foi concebido em que o Fe (II) rico em meio de água do mar (pH neutro) foi bombeada para a parte inferior da coluna, e bombeado para fora a partir do topo. Iluminação foi fornecido na parte superior para criar um 4 cm de largura "zona photic" que apoiou o crescimento de cianobactérias no top 3 cm. Os ambientes naturais são geralmente estratificada e estabilizado por gradientes físico-químicas, como salinidade ou temperatura. A fim de estabilizar a coluna de água sobre uma escala de laboratório, o cilindro coluna foi empacotada com uma matriz de pérolas de vidro porosa que ajudou a manter o estabelecimento de padrões geoquímico que se desenvolveram durante o experimento. Um fluxo contínuo de gás _N2 / CO _2, foi aplicada para lavar o espaço superior da coluna, a fim de manter uma atmosfera anóxica reflectora de um oceano antes da GOE ^15. Depois de um fluxo constante de Fe (II) foi estabelecida, cianobactérias foram inoculados através da coluna, e a sua growth foi monitorizada por contagem de células em amostras retiradas através de portas de amostragem. O oxigénio foi monitorada in situ, colocando folhas optode sensíveis ao oxigénio sobre a parede interna do cilindro de coluna e as medições foram feitas com uma fibra óptica a partir de fora da coluna. Aquosa Fe especiação foi quantificada por amostras remoção dos portos de amostragem horizontal de profundidade resolvida e analisados ​​com o método Ferrozine. Os experimentos de controle abióticos e resultados demonstram uma prova de conceito – que um análogo de escala de laboratório da coluna de água antigo, mantido em isolamento da atmosfera, é realizável. Cianobactérias cresceu e produziu o oxigênio, e as reações entre Fe (II) e oxigênio foram resolúvel. Aqui, a metodologia para a concepção, preparação, montagem, execução e amostragem de tal coluna são apresentados, juntamente com os resultados de um 84 horas de execução da coluna enquanto inoculados com a cianobactéria marinha Synechococcus sp. PCC 7002.