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对苏必利尔湖的研究揭示了硫在地球古代海洋中如何循环

 
新闻信息  加入时间:2023/11/24 10:22:44  zhangsq  点击:64

对苏必利尔湖的研究揭示了硫在地球古代海洋中如何循环
来源:BC Water
翻译:张书齐 校核:刘佳政
 
       地球化学家亚历山德拉·菲利普斯(Alexandra Phillips)对硫充满兴趣。这种黄色元素是一种重要的大宏量营养元素,她正试图了解它在环境中的循环过程。具体而言,她对大约30亿年前地球古代海洋中的硫循环感到好奇。
 
       幸运的是,北美五大湖之一的苏必利尔湖中的营养贫乏水域为我们提供了过去的信息。“了解数十亿年前的情况实在是非常困难,”菲利普斯说道,她曾是加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校和明尼苏达大学德卢斯分校的博士后研究员。她和她的合著者们在湖中发现了一种新型的硫循环。他们在《湖沼学与海洋学》杂志上发表了聚焦于有机硫化合物在这一生物地球化学循环中发挥的作用研究
 
       硫酸根离子(SO4)是环境中最常见的硫形式,也是海水的主要组成部分之一。在海洋和湖泊底部,在缺氧环境下,一些微生物通过将硫酸根转化为硫化氢(H2S)来维持生活。
 
       氢化硫可以在呼吸过程中被微生物迅速消耗,也可以在沉积物中保留数百万年。微生物将硫酸根转化为硫化氢是一项历史悠久的行为;基因组证据表明,微生物至少已经进行了这项活动约30亿年。
 
       科学家认为,硫酸根离子直到大约27亿到24亿年前才变得丰富起来,那时新进化的蓝细菌通过光合作用行为开始向海洋和大气中注入大量氧气。那么,这些古代微生物从哪里获取硫酸根离子呢?
 
       在思考这个问题时,菲利普斯将注意力转向了有机硫,即硫与碳化合物结合的分子。这些包括硫脂质和硫氨基酸。在现代海洋中,硫酸根离子的丰度几乎是有机硫的百万倍。“但在一个硫酸根离子不太丰富的系统中,突然之间有机硫变得更为重要,”她说。
 
       “很长一段时间,我们的思维都受到了从硫酸根离子丰富的现代海洋中学到的知识影响,”明尼苏达大学大型湖泊观测站的教授、谢尔盖·卡采夫(Sergei Katsev)说道。卡采夫时该项目的主要科学家。“然而,要理解早期的地球,就需要关注在硫酸根离子稀缺的情况下出现的过程,而有机硫在这方面可以改变整个范式。”
 
       恰好苏必利尔湖的硫酸根离子非常稀缺,几乎比现代海洋少了近千倍。“就硫酸根离子而言,苏必利尔湖在很大程度上更接近几十亿年前的海洋,可能帮助我们理解我们无法直接观察的过程,”菲利普斯说。早期的海洋中硫酸根离子非常稀缺,因为可用的游离氧气要少得多,无法形成SO4
 
       用这个大湖充当了古代海洋的模拟器,使菲利普斯能够看到硫循环在相似的化学环境下可能如何进行的。她心中有三个问题:
       1.如果硫酸根离子还原正在发生,是哪些微生物负责的?
       2.如果有机硫在推动这一过程,微生物更喜欢哪些类型的化合物?
       3.产生的硫化氢会发生什么变化?
 
       菲利普斯和她的合作者们前往苏必利尔湖,追踪有机硫从源头到沉积物的过程。该团队从两个地点取回水和沉积物样本进行分析:一个沉积物中氧气充足,另一个则没有。硫酸根还原通常发生在环境中缺氧的地方。氧气是一种重要的资源,因此生物体在可以使用氧气的情况下更倾向于使用氧气而不是硫酸根。该团队使用了Shotgun Metagenomics来寻找参与硫酸根还原的基因的微生物。他们发现了大量这样的微生物,恰好在沉积物中硫酸根离子含量达到峰值的地层。总体而言,他们鉴定出了八个参与硫酸根还原的分类单元。
 
       然后,研究人员着手确定微生物更喜欢哪种有机硫的形式。他们向各个的微生物群体提供了不同形式的有机硫,并观察了结果。研究人员发现,微生物主要从硫脂质中产生它们需要的硫酸根离子,而不是从硫氨基酸中产生,尽管这个过程需要一些能量。
 
       不仅硫脂质在这个过程中更受欢迎,而且在沉积物中它们也更为丰富。硫脂质是由其他微生物群体产生的,当它们死亡时会漂流到湖底。
 
       在弄清了“谁”和“怎样”之后,菲利普斯将注意力转向了硫化氢的命运。在现代海洋中,硫化氢可以与铁反应形成黄铁矿。但它也可以与有机分子反应,产生有机硫化合物。“而我们发现湖中有大量的有机物硫化,这对我们来说真的很惊讶,”她说。“有机硫不仅作为硫循环的来源推动着这个过程,而且还是硫化氢的最终汇。”
 
       版权所有,如有引用,请注明引自“水科学网”和译作者姓名。


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