Laboratory Simulering av en Iron (II) rik prekambrium Marine Oppstrømning System til Utforsk Vekst av fotosyntetiske bakterier

Prekambrium (4,6 til 0,541 Gy siden) atmosfære opplevd en gradvis oppbygging av photosynthetically produsert oksygen (O _2), kanskje avbrutt av vise endringer i den såkalte "Great Oksidasjon hendelse" (GOE) på ca 2,4 Gy siden, og igjen i Neoproterozoic (1 til 0,541 Gy siden) som atmosfærisk O ₂ nærmet moderne nivå ^1. Cyanobakterier er de evolusjonære rester av de første organismer som kan oxygenic fotosyntese ^to. Geokjemiske bevis og modellering studier støtter rollen til grunne kystmiljøer i husing aktive samfunn av cyanobakterier eller organismer som kan oxygenic fotosyntese eller oxygenic fotoautotrofi, genererer lokale oksygen oaser i overflaten havet under en overveiende anoksisk atmosfære ^3-5.

Avsetningen av bøyle Iron Formasjoner (BIFs) fra sjøvann gjennom prekambriske poeng til jern (II) (Fe (II)) som en viktig geokjemiske constituent av sjøvann, i det minste lokalt, i løpet av deres behandling. Noen av de største BIFs er dypvanns innskudd, forming av kontinentalsokkelen og skråningen. Mengden av Fe deponert er uforenlige fra et massebalanse standpunkt med overveiende kontinental (dvs. forvitring) kilde. Derfor er mye av Fe må ha blitt levert fra hydrotermale endring av mafisk eller ultramafiske havbunnen skorpe ^6. Estimater av frekvensen av Fe avsatt påhengs av kystmiljøet er i samsvar med Fe (II) som leveres til overflaten havet via oppstrømning ^7. For at Fe som skal transporteres i upwelling strømmer, må ha vært tilstede i den reduserte, mobil formen – som Fe (II). Den gjennomsnittlige oksydasjonstilstanden av Fe bevart i BIF er 2,4 ^{til 8,} og det er generelt antatt at BIF bevare Fe avsatt som Fe (III), som dannes ved oppstrømning Fe (II) ble oksydert, eventuelt med oksygen. Derfor utforske potensielle Fe (II) oksidasjonsmekanismer langs skråningen environments er viktig å forstå hvordan BIF dannet. Videre har videreutviklet geokjemisk karakterisering av marine sedimenter identifisert som ferruginous forhold, der Fe (II) var til stede i en anoksisk vannsøyle, var en vedvarende funksjon av havene gjennom prekambrium, og kanskje ikke har vært begrenset til bare tid og sted hvor BIF ble avsatt ^9. Derfor, i minst to milliarder år av jordens historie, redoks grensesnitt mellom Fe (II) og O ₂ i de grunne havene var sannsynligvis vanlig.

Tallrike studier utnytte moderne nettsteder som er kjemiske og / eller biologiske analoger av ulike funksjoner i prekambrium havet. Et godt eksempel er jernholdig innsjøer hvor Fe (II) er stabil og til stede i solbelyste overflatevann mens fotosynteseaktiviteten (inkludert av cyanobakterier) ble påvist ^10-13. Resultatene fra disse studiene gir innsikt i geokjemiske og mikrobielle egenskaper ved en oksisk til anoksisk / ferruginous kjemoklin. Men disse områdene er generelt fysisk stratifisert med liten vertikal miksing ^14, i stedet for de kjemiske grensesnitt som forekommer i en oppstrømning system, og er tenkt å støtte de mest oksygen produksjon i prekambrium tid ^4.

En naturlig analog å utforske utviklingen av et marint oksygen oase under en oksygenfri atmosfære, og på en Fe (II) rik oppstrømning system i solbelyste overflatevann kolonnen er ikke tilgjengelig på moderne Jorden. Derfor er et laboratorium system som kan simulere en ferruginous oppstrømning sone og også støtte veksten av cyanobakterier og photoferrotrophs nødvendig. Forståelsen og identifisering av mikrobielle prosesser og deres samspill med en oppstrømning vandig medium som representerer prekambrium sjøvann fremmer forståelse og kan utfylle informasjonen han fikk fra rock posten for å fullt ut forstå den særegne biogeokjemiske prosesser på gamle jorden. </p>

Mot dette formål, ble en laboratorie-skala-kolonne konstruert i hvilken Fe (II) -rik sjøvann medium (pH nøytral) ble pumpet inn i bunnen av kolonnen og pumpes ut fra toppen. Belysning ble gitt øverst for å skape en 4 cm bred "eufotisk" som støttet vekst av cyanobakterier i topp 3 cm. Naturmiljøer er generelt stratifisert og stabilisert av fysio gradienter, som salinitet eller temperatur. For å stabilisere vannsøylen på en lab-skala, ble kolonnen sylinder pakket med et porøst glassperle matrise som hjalp til å opprettholde etablering av geokjemiske mønstre som er utviklet i løpet av eksperimentet. En kontinuerlig _N2 / _{CO2-gass-strømmen} ble anvendt for å skylle det øvre område av kolonnen for å opprettholde en oksygenfri atmosfære reflektert av et hav før den GOE ^15. Etter å ha en konstant strøm av Fe (II) ble etablert, ble inokulert cyanobakterier i hele kolonnen, og deres growth ble overvåket av celletall på prøver fjernet gjennom prøvetakingsportene. Oksygen ble overvåket in situ ved å plassere oksygenfølsomme optode folier på den indre vegg av kolonnen sylinder og målinger den ble gjort med en optisk fiber fra utsiden av kolonnen. Vandig Fe arts ble kvantifisert ved å fjerne prøver fra dybde-løst horisontale prøvetakingsporter og analysert med Ferrozine metoden. De abiotiske kontroll eksperimenter og resultater viser proof-of-concept – som en laboratorieskala analog av den gamle vannsøylen, holdt isolert fra atmosfæren, er oppnåelig. Cyanobakterier vokste og produsert oksygen, og reaksjonene mellom Fe (II) og oksygen ble løses. Heri er metodikken for design, forberedelser, montering, gjennomføring, og prøvetaking av en slik kolonne presentert, sammen med resultatene fra en 84-timers løp i kolonnen mens inokulert med den marine cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002.