Labor Simulation eines Eisen (II) -reichen Präkambrium Meeres Upwelling-System das Wachstum von Bakterien zu erkunden Photosynthetic

Das Präkambrium (4,6-,541 Gy vor) Atmosphäre einen allmählichen Aufbau von photosynthetisch hergestellten Sauerstoff erfahren (O _2), vielleicht für Schritt Veränderungen unterbrochen an der sogenannten "Great Oxidation Event" (GOE) bei etwa 2,4 Gy vor, und wieder in Neoproterozoikum (1-,541 Gy vor) als atmosphärischen O genähert ₂ moderne Stufen ^1. Cyanobakterien sind die evolutionären Reste der ersten Organismen, die von oxygenic Photosynthese ^2. Geochemische Beweise und Modellierungsstudien unterstützen die Rolle der flachen Küstengebiete in beherbergen aktive Gemeinschaften von Cyanobakterien oder Organismen, die von oxygenic Photosynthese oder oxygenic phototrophs, ^3-5 unter einer überwiegend anoxischen Atmosphäre im Oberflächenozean lokalen Sauerstoff Oasen zu erzeugen.

Die Ablagerung von Bändererz (BIFs) aus dem Meerwasser in den präkambrischen Punkte zu Eisen (II) (Fe (II)) als eine wichtige geochemische constituent von Meerwasser, zumindest lokal, während ihrer Abscheidung. Einige der größten BIFs sind Tiefwasserablagerungen, die Kontinentalsockel und Steigung bilden ab. Die Menge an Fe abgeschieden ist unvereinbar aus einer Massenbilanz Standpunkt mit überwiegend kontinental (dh Verwitterung) Quelle. Daher ein großer Teil der Fe wurden , müssen ⁶ von hydrothermalen Veränderungen von mafischen oder ultramafischen seafloor Kruste geliefert. Die Schätzungen der Rate von Fe abgeschieden außenbords der Küstengebiete im Einklang mit Fe (II) an die Oberfläche Ozean über upwelling ⁷ geliefert. Um für Fe in Aufwärtsströmungen transportiert werden, müssen in der reduzierten, mobile Form vorhanden gewesen – als Fe (II). Die durchschnittliche Oxidationsstufe von Fe in BIF erhaltenen 2,4 ⁸ , und es wird allgemein angenommen , dass BIF erhalten Fe als Fe (III) abgeschieden wird , gebildet wird, wenn Fe aufsteigendes (II) oxidiert, gegebenenfalls durch Sauerstoff. Daher erforschen Potential Fe (II) Oxidationsmechanismen entlang Hang environments ist wichtig, zu verstehen, wie BIF gebildet. Darüber hinaus verfeinert geochemische Charakterisierung von marinen Sedimenten hat festgestellt, dass eisenhaltig Bedingungen, in denen Fe (II) in einer anoxischen Wassersäule war, ein hartnäckiges Merkmal der Ozeane auf der ganzen Präkambrium waren und nicht nur auf die Zeit und den Ort beschränkt waren wo BIF wurden ⁹ abgeschieden. Daher ist für mindestens zwei Milliarden Jahre Erdgeschichte, Redox – Schnittstellen zwischen Fe (II) und O ₂ in den flachen Meeren waren wahrscheinlich alltäglich.

Zahlreiche Studien nutzen moderne Websites, die chemische und / oder biologische Analoga von verschiedenen Merkmalen des präkambrischen Ozeans sind. Ein gutes Beispiel sind eisenhaltig Seen , in denen Fe (II) in sonnendurchfluteten Oberflächenwasser stabil und vorhanden ist , während die photosynthetische Aktivität (einschließlich von Cyanobakterien) wurde ^10-13 nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen geben einen Einblick in den geochemischen und mikrobiellen Eigenschaften eines oxischen zu anoxischen / ferruginous Chemokline. Allerdings sind in der Regel diese Seiten physisch geschichtet mit wenig vertikal ¹⁴ Mischen, anstatt die chemischen Schnittstellen in einem upwelling System auftreten, und dachte , sind ⁴ die meisten Sauerstoffproduktion in präkambrischen Zeit zu unterstützen.

Ein natürliches Analogon die Entwicklung eines marinen Sauerstoff Oase unter einer anoxischen Atmosphäre und bei einem Fe (II) -reichen Auftriebssystem in sonnendurchfluteten Oberflächenwassersäule ist nicht verfügbar auf der modernen Erde zu erkunden. Daher ist ein Laborsystem, das eine ferruginous upwelling Zone simulieren kann und auch das Wachstum von Cyanobakterien und photoferrotrophs Unterstützung benötigt wird. Das Verständnis und die Identifizierung von mikrobiellen Prozesse und deren Wechselwirkung mit einem upwelling wässrigen Medium, das Präkambrium Meerwasser darstellt, fördert das Verständnis und kann die Informationen aus dem Rock-Platte gewonnen, um zu ergänzen, um in vollem Umfang die unverwechselbaren biogeochemische Prozesse auf alten Erde zu verstehen. </p>

Mit diesem Ziel wurde in dem Fe (II) -reichen Seewassermedium (pH neutral) wurde gepumpt, um eine im Labormaßstab Säule entwickelt, um in den Boden der Säule und abgepumpt von oben. Beleuchtung wurde an der Spitze vorgesehen, um eine 4 cm breite "photic Zone" zu schaffen, die das Wachstum von Cyanobakterien in den Top 3 cm unterstützt. Natürliche Umgebungen sind in der Regel geschichtet und durch physikalisch-chemischen Gradienten stabilisiert, wie Salinität oder Temperatur. Um die Wassersäule auf einem Labormaßstab, der Säulenzylinder wurde gepackt mit einer porösen Glasperlen Matrix zu stabilisieren, das die Einrichtung von geochemischen Muster zu halten half, die während des Experiments entwickelt. Ein kontinuierlicher N ₂ / CO ₂ Gasfluss wurde angelegt , um den Kopfraum der Kolonne , um zu spülen , eine anoxische Atmosphäre reflektierende eines Ozeans vor der GOE ¹⁵ aufrechtzuerhalten. Nachdem ein konstanter Fluss von Fe (II) hergestellt wurde, Cyanobakterien wurden überall in der Säule inokuliert und ihre growth wurde durch Zellzählungen an Proben überwacht Sampling-Ports entfernt durch. Sauerstoff wurde in situ überwacht durch sauerstoffempfindliche Optode Folien auf die Innenwand des Säulenzylinders und Messungen Plazieren von außerhalb der Säule mit einer optischen Faser hergestellt wurden. Wässrige Fe Speziation wurde durch Entnahme von Proben aus tiefenaufgelösten Horizontalabtastpuffers Ports und analysiert mit dem Ferrozine Verfahren quantifiziert. Die abiotische Kontrolle Experimente und Ergebnisse zeigen, Proof-of-concept -, dass ein Labormaßstab analog der alten Wassersäule, in Isolation von der Atmosphäre gehalten, erreichbar ist. Cyanobakterien wuchs und erzeugt Sauerstoff, und die Reaktionen zwischen Fe (II) und Sauerstoff wurden auflösbar. Hierbei ist die Methodik zur Konstruktion, Herstellung, Montage, Ausführung und Probenahme von solchen Säule präsentiert, zusammen mit den Ergebnissen aus einem 84 h Lauf der Säule , während mit dem Cyanobakterium Synechococcus sp marine inokuliert. PCC 7002.