光合成細菌の増殖を探検する鉄（II）リッチ先カンブリア時代マリン湧昇システムの実験室でのシミュレーション
Summary
私たちは、実験室規模の垂直フロースルーの列に先カンブリア時代含鉄海洋湧昇システムをシミュレートしました。目標は、O 2とFe（II）の方法地球化学的プロファイルを理解するシアノバクテリアの農産物O 2として進化しました。結果は、O 2を生成し、光合成によって、鉄（II）酸化にchemoclineの確立を示しています。
Abstract
いくつかの先カンブリア紀の縞状鉄鉱フォーメーション（BIF）の堆積のための従来の概念は先カンブリア紀海洋の熱水供給源からの第一鉄[鉄（II）]湧昇は、分子酸素によって酸化されたことを前提に進み、[O 2]シアノバクテリアによって生成さ。約2.4億年で前にグレート酸化イベント（GOE）に堆積最古のBIF、（グレイ）前、無酸素条件下での酸素非発生型のphotoferrotrophsによって、鉄（II）の直接酸化によって形成された可能性があります。異なる生物学的なシナリオの下で開発地球化学的および鉱物学的なパターンをテストするための方法として、我々は実験室規模でのリッチ海洋湧昇システム古代の海の代表的な無酸素のFe（II）をシミュレートするために、長さ40cmの垂直フロースルー列を設計しました。シリンダは、地球化学的勾配を安定化させるために多孔質ガラスビーズマトリックスを充填し、そして鉄定量のための液体試料は、水カラムを通して取ることができます。溶存酸素ました外部からオプトードを経由して非侵襲的に検出されました。下からのFe（II）の湧昇流束を関与生物実験、トップとは異なる光勾配、および水柱におけるシアノバクテリアの存在の結果、鉄の形成のためのショー明確な証拠（III）鉱物沈殿物とchemoclineの開発鉄（II）とO 2との間です。この列には、私たちがシミュレートされた海洋先カンブリア時代の条件の下で（と将来photoferrotrophsで）シアノバクテリアを培養したBIFの形成のための仮説をテストすることができます。浅海や湖底堆積物を含む – さらに私たちは列の概念は、様々な化学的および物理環境のシミュレーションを可能にすると仮定しました。
Introduction
先カンブリア時代（前4.6 0.541へGyの）雰囲気は、おそらく前に約2.4 Gyのでいわゆる「グレート酸化イベント」（GOE）でのステップ変化によって中断さ光合成生成された酸素（O 2）、の漸進的なビルドアップを経験し、再び大気Oなどの新原生代（1から0.541 Gyの前）で2は、現代のレベル1に近づきました。シアノバクテリアは酸素発生型光合成2のできる第一生物の進化の名残です。地球化学的証拠とモデリングの研究は、主に無酸素雰囲気3-5の下に海洋表層における局所酸素オアシスを生成し、シアノバクテリアまたは酸素発生型光合成や酸素発生光栄養生物の可能な生物のアクティブなコミュニティを保有中の浅い沿岸環境の役割をサポートしています。
鉄への先カンブリア時代ポイントを通して海水から縞状鉄鉱フォーメーションの堆積（のBIF）（II）（鉄（II））の主要な地球化学cとしてその堆積中に少なくとも局所的海水のonstituent、、。最大のBIFのいくつかは、大陸棚と斜面をオフ形成、深層水鉱床です。堆積したFeの量は、主に大陸（ すなわち 、風化）ソースとマスバランスの観点から互換性がありません。そのため、鉄の多くは苦鉄質や超苦海底地殻6の熱水変質から供給されている必要があります。鉄の速度の推定値は、沿岸環境の外側は、Fe（II）と一致している堆積湧昇7を介して表面の海に供給されます。 Feが湧昇流に輸送されるようにするために、縮小、移動体の形で存在していなければなりません – 鉄（II）として。 BIFに保存鉄の平均酸化状態は2.4 8であり、一般にBIFはFeが酸素によっておそらく、（II）の酸化された鉄の湧昇ときに形成される鉄（III）として寄託保つと考えられます。したがって、スロープenvironmeに沿ったポテンシャルのFe（II）酸化メカニズムを探索NTS BIFが形成された方法を理解することが重要です。また、海洋堆積物の洗練された地球化学的特徴付けは、Fe（II）は無酸素水柱に存在した含鉄条件は、先カンブリア紀を通じて海洋の持続的な特徴であった、とだけ時間と場所に制限されていない可能性があることを確認しましたここBIF 9を成膜しました。したがって、地球の歴史の少なくとも20億年の間、浅い海でのFe（II）とO 2との間のレドックスインターフェイスは、おそらく平凡でした。
多くの研究は、先カンブリア紀の海のさまざまな機能の化学的および/または生物学的な類似体である現代的なサイトを利用しています。良い例が光合成活性（シアノバクテリアによるものを含む）しながら、鉄（II）が10月13日に検出された太陽に照らされた地表水に安定して存在している含鉄湖です。これらの研究の結果は、無酸素/ FERに有酸素の地球化学と微生物特性への洞察を提供しますruginous chemocline。しかしながら、これらのサイトは、一般的に物理的にほとんど垂直ではなく湧昇システムで発生する化学インターフェースよりも、14を混合して層化され、先カンブリア時間4に最も酸素生成をサポートすると考えられています。
無酸素雰囲気下に海洋酸素オアシスの開発を探索するためのナチュラルアナログ、および太陽に照らされた表面水柱中のFe（II）に富む湧昇システムで、現代の地球では使用できません。したがって、含鉄湧昇ゾーンをシミュレートし、また、シアノバクテリアとphotoferrotrophsの成長をサポートすることができる実験室のシステムが必要とされています。微生物プロセスと理解を促進し、完全に古代の地球上の独特の生物地球化学的プロセスを理解するために、岩のレコードから得られた情報を補完することができる先カンブリア時代海水を表し湧昇水性媒体との相互作用の理解と識別。 </p>
そのために、実験室規模の列はその中のFe（II）に富む海水培地（中性pH）はカラムの底部に注入した設計された、と上から送り出さ。照明は上位3 cm単位でシアノバクテリアの成長を支え4センチメートルワイド」透光層」を作成するために、頂部に設けられました。自然環境は、一般的に塩分濃度や温度などの物理化学的勾配、によって層別化及び安定化されています。実験室規模での水カラムを安定化させるために、カラムシリンダが実験中に発生地球化学的パターンの確立を維持するのに役立った多孔質ガラスビーズマトリックスを充填しました。連続的なN 2 / CO 2ガス流はGOE 15の前に海の反射無酸素雰囲気を維持するために、カラムのヘッドスペースをフラッシュするために適用しました。鉄の一定のフラックス（II）が成立した後、シアノバクテリアは、列全体に接種し、そしてそのgrowtましたHは、サンプリングポートを介して除去したサンプルの細胞計数によってモニターしました。酸素は、列シリンダの内壁に酸素感受性オプトード箔を配置することによって、 その場でモニターし、測定は、カラムの外部からの光ファイバを用いて行きました。水性鉄スペシエーションは、深さ分解水平サンプリングポートからサンプルを除去することによって定量し、フェロジン法で分析しました。大気から分離して維持され、古代の水柱の実験室規模のアナログは、達成可能であること – 非生物対照実験と結果は概念実証を示しています。シアノバクテリアが成長し、酸素を生じ、およびFe（II）と酸素との反応を解決しました。海洋シアノバクテリアシネココッカス属を接種しながらここで、設計、準備、組み立て、実行、およびそのような列のサンプリングのための方法論は、カラムの84時間の実行から結果とともに、提示されています。 PCC 7002。
Protocol
Representative Results
Discussion
先カンブリア時代海洋における微生物群集はによって規制、またはそれらの活性の結果と支配的な地球化学的条件のように変更されました。 BIFの起源を解釈する際に、研究者は、一般的に堆積学またはBIFの地球化学、 例えば 、Smithら 23およびJohnsonら 24に基づいて、微生物の存在または活性を推測します。古代の環境への地球化学的類似体を持っている現…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
マークノードホフは、配管接続部の設計と実装を支援します。エレン・シュトルーヴェが使用される機器を選択して取得するのに役立ちました。
Materials
| Widdel flask (5 L) | Ochs | 110015 | labor-ochs.de |
| Glass bottles (5 L) | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com |
| Glass pipettes (5 mL) | 51714 | labor-ochs.de | |
| 0.22 µm Steritop filter unit (0.22 µm Polyethersulfone membrane) | Millipore | X337.1 | carlroth.com |
| Aluminum foil | |||
| Sterile Luer Lock glass syringe, filled with cotton | C681.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock stainless steel needles (150 mm, 1.0 mm ID) | 201015 | labor-ochs.de | |
| NaCl | Sigma | 433209 | sigmaaldrich.com |
| MgSO4 | Sigma | 208094 | sigmaaldrich.com |
| CaCl2 | Sigma | C4901 | sigmaaldrich.com |
| NH4Cl | Sigma | A9434 | sigmaaldrich.com |
| KH2PO4 | Sigma | P5655 | sigmaaldrich.com |
| KBr | Sigma | P3691 | sigmaaldrich.com |
| KCl | Sigma | P9541 | sigmaaldrich.com |
| Glass cylinder | Y310.1 | carlroth.com | |
| Glass wool | 7377.2 | carlroth.com | |
| Glass beads (ø 0.55 – 0.7 mm) | 11079105 | biospec.com | |
| Butyl rubber stopper (ø 1.2 cm) | 271024 | labor-ochs.de | |
| Petri Dish, glass (ø 8.0 cm) | T939.1 | carlroth.com | |
| Polymers glue | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |
| Optical oxygen sensor foil (for oxygen analysis, see below) | – on request – | presens.de | |
| Rubber tubing (35 mm, 7 mm ID) | 770350 | labor-ochs.de | |
| Luer Lock tube connector (3.0 mm, luer lock male = LLM) | P343.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock tube connector (3.0 mm, luer lock female = LLF) | P335.1 | carlroth.com | |
| Rubber tubing (25 mm, 0.72 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Rubber tubing (50 mm, 7 mm ID) | 770350 | labor-ochs.de | |
| Luer Lock stainless steel needle (150 mm, 1.0 mm ID) | 201015 | labor-ochs.de | |
| Luer Lock glass syringe (10 mL) | C680.1 | carlroth.com | |
| Loose cotton | – | ||
| Butyl rubber stopper (ø 1.75 cm) | 271050 | labor-ochs.de | |
| Stainless steel needle (40 mm, 1.0 mm ID) | Sterican | 4665120 | bbraun.de |
| Luer Lock stainless steel needle (150 mm, 1.5 mm ID) | 201520 | labor-ochs.de | |
| position: Luer Lock female connector part at C.7 | |||
| Polymers glue | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |
| Stainless steel needle (120 mm, 0.7 mm ID) | Sterican | 4665643 | bbraun.de |
| Rubber tubing (40 mm, 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Heat shrink tubing (35 mm, 3 mm ID shrunk) | 541458 – 62 | conrad.de | |
| Tube clamp | STHC-C-500-4 | tekproducts.com | |
| Luer Lock tube connector (1.0 mm, LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock plastic cap (LLM) | CT69.1 | carlroth.com | |
| Glass bottle (5 L) | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com |
| Butyl rubber stopper (for GL45) | 444704 | labor-ochs.de | |
| Stainless steel capillary (300 mm, 0.74 mm ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| Stainless steel capillary (50 mm, 0.74 mm ID) | 56737 | sigmaaldrich.com | |
| Shrink tubing (35 mm, 3 mm ID shrunk) | 541458 – 62 | conrad.de | |
| Rubber tubing (100 mm, 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Luer Lock tube connector (1.0 mm, LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock glass syringe (10 mL) | C680.1 | carlroth.com | |
| Loose cotton | – | ||
| Butyl rubber stopper (ø 1.75 cm) | 271050 | labor-ochs.de | |
| Stainless Steel needle (40 mm, 0.8 mm ID) | Sterican | 4657519 | bbraun.de |
| Luer Lock glass syringe (5 mL) | C679.1 | carlroth.com | |
| Butyl rubber stopper (ø 1.75 mm) | 271050 | labor-ochs.de | |
| Stainless steel needle (40 mm, 0.8 mm ID) | Sterican | 4657519 | bbraun.de |
| Rubber tubing (40 mm, 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Glass bottle (2 L) | Rotilabo | X716.1 | carlroth.com |
| Butyl rubber stopper (for GL45) | 444704 | labor-ochs.de | |
| Stainless steel capillary (50 mm, 0.74 mm ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| Rubber tubing (30 mm x 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Rubber tubing (100 mm x 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Luer Lock tube connector (1.0 mm, LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock 3-way connector (LLF, 2x LLM) | 6134 | cadenceinc.com | |
| Light source | Samsung | SI-P8V151DB1US | samsung.com |
| Peristalic pump | Ismatec | EW-78017-35 | coleparmer.com |
| Pumping tubing (0.89 mm ID) | EW-97628-26 | coleparmer.com | |
| Stainless steel capillary (200 mm, 0.74 mm ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| Stainless steel capillary (400 mm, 0.74 mm ID) | 56737 | sigmaaldrich.com | |
| Supel-Inert Foil (Tedlar – PFC) gas pack (10 L) | 30240-U | sigmaaldrich.com | |
| Rubber tube (30 mm, 6 mm ID) | 770300 | labor-ochs.de | |
| Luer Lock tube connector (3.0 mm, LLM) | P343.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock tube connector (3.0 mm, LLF) | P335.1 | carlroth.com | |
| Gas-tight syringe (20 mL) | C681.1 | carlroth.com | |
| Bunsen burner | – | ||
| Fiber optic oxygen meter for oxygen quantification | Presens | TR-FB-10-01 | presens.de |
| Vacuum pump | – | ||
| Silicone glue for oxygen optodes | Presens | PS1 | presens.de |
Referências
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