Laboratorium Simulatie van een ijzer (II) -rijke Precambrium Marine Upwelling Systeem om Ontdek de groei van de fotosynthetische bacteriën

Het Precambrium (4,6-0,541 Gy geleden) atmosfeer ervaren een geleidelijke opbouw van fotosynthetisch geproduceerde zuurstof (O _2), mogelijk onderbroken door stapsgewijze veranderingen in de zogenaamde "Grote Oxidatie Event" (GOE) bij ongeveer 2,4 Gy geleden, en opnieuw in de Neoproterozoic (1-0,541 Gy geleden) atmosferische O ₂ benaderde moderne niveau ^1. Cyanobacteriën zijn de evolutionaire overblijfselen van de eerste organismen die oxygenic fotosynthese ^2. Geochemische bewijs en modellering studies ondersteunen de rol van ondiepe kustgebieden in herbergen actieve gemeenschappen van cyanobacteriën of organismen die in staat oxygenic fotosynthese of oxygenic fototroof, het genereren van lokale zuurstof oases in het oppervlak oceaan onder een overwegend zuurstofloos sfeer ^3-5.

De afzetting van Banded Iron Formations (BIFS) uit zeewater gehele Precambrische punten ijzer (II) (Fe (II)) als een belangrijke geochemische constituent zeewater, althans plaatselijk, tijdens de depositie. Enkele van de grootste BIFS zijn diep water deposito's, de vorming van de continentale plat en de helling. De hoeveelheid Fe afgezet onverenigbaar is uit een massabalans standpunt met overwegend continentaal (dwz, verwering) bron. Derhalve veel van de Fe moet zijn geleverd door hydrothermale verandering van mafic of ultramafic zeebodem korst ^6. Schattingen van het tarief van Fe afgezet buitenboordmotor van kustgebieden zijn in overeenstemming met Fe (II) via opwelling ⁷ naar het oppervlak oceaan geleverd. Om Fe te worden vervoerd opwelling stromen, aanwezig in de gereduceerde mobiele vorm zijn – zoals Fe (II). De gemiddelde oxidatietoestand van Fe bewaard BIF is 2,4 ⁸ en algemeen wordt gedacht dat BIF behouden Fe gedeponeerd als Fe (III), gevormd wanneer de opwaartse kracht Fe (II) geoxideerd, eventueel door zuurstof. Daarom is het verkennen van mogelijke Fe (II) oxidatiemechanismen langs helling environmeNTS is belangrijk om te begrijpen hoe BIF gevormd. Bovendien, geraffineerde geochemische karakterisatie van mariene sedimenten heeft vastgesteld dat ijzerhoudend omstandigheden, waarbij Fe (II) aanwezig is in een zuurstofloze waterkolom was, waren een hardnekkig kenmerk van de oceanen in heel het Precambrium, en mag niet zijn beperkt tot alleen de tijd en plaats waarbij BIF werden gedeponeerd ^9. Derhalve ten minste twee miljard jaar geschiedenis aarde, redox interfaces tussen Fe (II) en _O2 in de ondiepe oceanen waren waarschijnlijk gemeengoed.

Talrijke studies maken gebruik van moderne sites die chemische en / of biologische analogen van verschillende kenmerken van de Precambrian oceaan zijn. Een goed voorbeeld zijn ijzerhoudende meertjes waar Fe (II) is stabiel en is aanwezig in zonovergoten oppervlaktewater terwijl fotosynthetische activiteit (onder meer door cyanobacteriën) werd gedetecteerd ^10-13. De resultaten van deze studies geven inzicht in de geochemische en microbiologische kenmerken van een zuurstofrijke naar zuurstofarme / ferruginous chemocline. Maar deze zijn over het algemeen fysisch gestratificeerd kleine verticale menging ¹⁴ plaats van de chemische interfaces die zich in een opwelling systeem, en men denkt dat de zuurstofproductie ondersteunen Precambrium tijd ^4.

Een natuurlijke analoog aan de ontwikkeling van een mariene zuurstof oase te verkennen onder een zuurstofloze atmosfeer, en tegen een Fe (II) -rijke opwelling systeem in de zonovergoten oppervlaktewater column is niet beschikbaar op de moderne Aarde. Daarom wordt een laboratorium systeem dat een ijzerhoudende opwelling zone kan simuleren en ondersteunen ook de groei van cyanobacteriën en photoferrotrophs nodig. Het begrip en de identificatie van microbiële processen en hun interactie met een opwelling waterig medium dat Precambrium zeewater vertegenwoordigt bevordert het begrip en de informatie die is opgedaan met de rockplaat te vullen om volledig te begrijpen van de onderscheidende biogeochemische processen op oude aarde. </p>

Tegen Daartoe is een laboratoriumschaal kolom ontwikkeld waarbij Fe (II) -rijke zeewater medium (pH neutraal) werd gepompt in de bodem van de kolom gepompt vanaf de top. Verlichting werd aan de bovenzijde met een 4 cm "fotische zone" die de groei van cyanobacteriën in de top 3 cm ondersteund creëren. Natuurlijke omgevingen zijn over het algemeen gelaagd en gestabiliseerd door fysisch-chemische gradiënten, zoals zoutgehalte of temperatuur. Om de waterkolom op laboratoriumschaal stabiliseren, werd de kolom cilinder gevuld met een poreuze matrix die glaskraal bijgedragen tot de vaststelling van geochemische patronen die ontwikkeld tijdens het experiment te handhaven. Een continue _N2 / _CO2 gasstroom werd op de bovenruimte van de kolom te spoelen om een zuurstofloze atmosfeer reflecterende van een oceaan vóór de GOE ¹⁵ handhaven. Na een constante flux van Fe (II) werd vastgesteld, werden geïnoculeerd cyanobacteriën gehele kolom en de growth werd gevolgd door celtellingen op monsters verwijderd door middel bemonsteringsopeningen. Zuurstof werd in situ gevolgd door het plaatsen van zuurstofgevoelige optode folie op de binnenwand van de kolom cilinder en metingen werden uitgevoerd met een glasvezel van buiten de kolom. Waterige Fe speciatie werd gekwantificeerd door het verwijderen van monsters uit diepgaande opgelost horizontale monsterpoorten en geanalyseerd met de Ferrozine methode. De abiotische controle-experimenten en de resultaten tonen proof-of-concept – dat een laboratorium schaal analoog van de oude waterkolom, in afzondering gehouden uit de atmosfeer, haalbaar is. Cyanobacteria groeide en geproduceerd zuurstof en de reacties tussen Fe (II) en zuurstof waren oplosbaar. Hierin, de methodologie voor het ontwerp, de voorbereiding, de montage, de uitvoering, en bemonstering van dergelijke kolom worden gepresenteerd, samen met de resultaten van een 84 uur run van de kolom, terwijl geënt met het mariene cyanobacterie Synechococcus sp. PCC 7002.