Labor Simulation eines Eisen (II) -reichen Präkambrium Meeres Upwelling-System das Wachstum von Bakterien zu erkunden Photosynthetic
Summary
Wir simulieren einen Präkambrium eisenhaltig marine Auftriebssystem in einem Labormaßstab vertikalen Flow-Through-Säule. Ziel war es , zu verstehen , wie geochemische Profile von O 2 und Fe (II) entwickeln , wie Cyanobakterien produzieren O 2. Die Ergebnisse zeigen , die Einrichtung eines Chemokline wegen Fe (II) Oxidation von photosynthetisch hergestellte O 2.
Abstract
Ein herkömmliches Konzept für die Abscheidung von einigen Präkambrium Bändererz (BIF) geht davon aus, dass Eisen – II [Fe (II)] upwelling aus hydrothermalen Quellen in der präkambrischen Ozean durch molekularen Sauerstoff oxidiert [O 2] von Cyanobakterien produziert. Die ältesten BIFs, abgeschieden vor der Großen Oxidation Ereignis (GOE) bei etwa 2400000000 Jahre (Gy) vor, könnte durch direkte Oxidation von Fe (II) durch anoxygenen photoferrotrophs unter anoxischen Bedingungen gebildet. Als Verfahren zur Herstellung der geochemischen und minera Muster zu testen, die unter verschiedenen biologischen Szenarien entwickeln, haben wir eine 40 cm lange vertikale Durchflusssäule mit einem anoxischen Fe (II) -reichen marine upwelling System Vertreter eines alten Ozean im Labormaßstab zu simulieren . Der Zylinder wurde mit einer porösen Glasperlen gepackte Matrix die geochemische Gradienten zu stabilisieren und flüssigen Proben für Eisen Quantifizierungs könnten in der gesamten Wassersäule entnommen werden. Gelöster Sauerstoff wurdenicht-invasiv mittels Optoden von außen erkannt. Die Ergebnisse aus biotischen Experimente, die upwelling Flüsse von Fe (II) aus dem Boden beteiligt sind, eine deutliche Lichtgradienten von oben, und Cyanobakterien in der Wassersäule, zeigen deutliche Hinweise auf die Bildung von Fe (III) mineralische Ausfällungen und Entwicklung einer Chemokline zwischen Fe (II) und O 2. Diese Spalte ermöglicht es uns, Hypothesen für die Bildung der BIFs zu testen, indem Cyanobakterien Kultivierung (und in der Zukunft photoferrotrophs) unter simulierten Meeres Präkambrium Bedingungen. Darüber hinaus vermuten, dass wir unsere Säulenkonzept für die Simulation von verschiedenen chemischen und physikalischen Umgebungen ermöglicht – einschließlich flachen Meeres oder Seesedimente.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikrobielle Gemeinschaften im Präkambrium Ozean wurden geregelt durch, oder als Folge von veränderten, ihre Aktivität und den vorherrschenden geochemischen Bedingungen. Bei der Interpretation der Ursprünge der BIF, Forscher schließen im Allgemeinen das Vorhandensein oder die Aktivität von Mikroorganismen auf der Sedimentologie oder Geochemie von BIF basiert, zum Beispiel Smith et al. 23 und Johnson et al. 24. Die Studie der modernen Organismen in modernen Umgebungen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Mark Nordhoff in der Konzeption und Umsetzung von Schlauchverbindungen unterstützt. Ellen Struve half auszuwählen und zu erwerben Ausrüstung verwendet werden.
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 |
References
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