Laboratório de Simulação de um ferro (II) rico em Precambrian Marinha Ressurgência do sistema para explorar o crescimento de bactérias fotossintéticas
Summary
Nós simulamos um sistema de ressurgência marinha ferruginoso Precambrian em uma coluna de fluxo vertical-escala de laboratório. O objetivo foi compreender perfis como geoquímicas de O2 e Fe (II) evoluir como cianobactérias produzem O 2. Os resultados mostram a criação de um chemocline devido a Fe (II) oxidação pelo fotossinteticamente O produziu 2.
Abstract
Um conceito convencional para a deposição de alguns pré-cambrianas Banded Ferro Formações (BIF) parte do princípio de que o ferro ferroso [Fe (II)] ressurgência de fontes hidrotermais no oceano pré-cambriano foi oxidado pelo oxigênio molecular [O 2] produzida por cianobactérias. Os BIFs mais antigas, depositadas antes da Grande Oxidação Evento (GOE) em cerca de 2,4 bilhões de anos (Gy) atrás, poderia ter se formado por oxidação direta de Fe (II) por anoxigênicas photoferrotrophs sob condições anóxicas. Como um método para testar os padrões geoquímicos e mineralógicos que se desenvolvem em diferentes cenários biológicos, nós projetamos uma coluna de fluxo vertical, 40 cm de comprimento para simular um Fe anóxica (II) rico em representante de um oceano antigo sistema de ressurgência marinha numa escala de laboratório . O cilindro foi embalado com uma matriz de pérolas de vidro poroso para estabilizar os gradientes geoquímicos e amostras líquidas para a quantificação de ferro poderiam ser tomadas ao longo da coluna de água. O oxigénio dissolvido foidetectado de forma não invasiva através optodes a partir do exterior. Os resultados de experiências bióticos que envolvidas fluxos de ressurgência de Fe (II) a partir do fundo, um gradiente de luz distintas, de cima, e cianobactérias presente na coluna de água, mostra uma clara evidência para a formação de Fe (III) precipita minerais e desenvolvimento de um chemocline entre o Fe (II) e O 2. Esta coluna permite testar hipóteses para a formação dos BIFs por cultura de cianobactérias (e no futuro photoferrotrophs) sob condições simuladas Precambrianos marinhos. Além disso, nós supomos que o nosso conceito de coluna permite a simulação de vários ambientes químicos e físicos – incluindo marinhos ou lacustres sedimentos superficiais.
Introduction
O pré-cambriano (4,6-,541 Gy atrás) atmosfera experimentou uma acumulação gradual de fotossíntese produzido oxigênio (O 2), talvez pontuada por mudanças graduais na chamada "Grande Oxidação Event" (GOE) a cerca de 2,4 Gy atrás, e novamente no Neoproterozóico (1-,541 Gy atrás) como o 2 atmosférico se aproximarem dos níveis modernos 1. As cianobactérias são os restos evolucionários dos primeiros organismos capazes de fotossíntese aeróbica 2. Geoquímicos estudos evidências e modelagem apoiar o papel dos ambientes costeiros rasos em abrigar comunidades ativas de cianobactérias ou organismos capazes de fotossíntese aeróbica ou fototróficas oxigênicos, gerando oásis de oxigênio locais na superfície do oceano abaixo de um ambiente predominantemente anóxica 3-5.
A deposição de formações ferríferas (BIFs) a partir de água do mar ao longo dos pontos Precambrianos de ferro (II) (Fe (II)) como um importante geoquímico Constituent da água do mar, pelo menos localmente, durante a sua deposição. Algumas das maiores BIFs são depósitos de águas profundas, formando fora da plataforma e talude continental. A quantidade de Fe depositado é incompatível a partir de um ponto de vista o equilíbrio de massa com (ou seja, resistência) de origem predominantemente continental. Portanto, grande parte da Fé devem ter sido fornecidos de alteração hidrotermal de máfica ou fundo do mar ultramafic crosta 6. As estimativas da taxa de Fe depositado popa dos ambientes costeiros são consistentes com Fe (II) fornecido à superfície do oceano através de ressurgência 7. Para que Fe para ser transportado em correntes de ressurgência, deve ter estado presente na forma reduzida, mobile – como Fe (II). O estado de oxidação de Fe média preservada em BIF é 2.4 8 e pensa-se geralmente que BIF preservar Fe depositado na forma de Fe (III), formado quando ressurgência de Fe (II) foi oxidado, possivelmente por oxigénio. Portanto, explorar Fe (II) mecanismos potenciais de oxidação ao longo environme inclinaçãonts é importante entender como BIF formado. Além disso, refinado caracterização geoquímica de sedimentos marinhos identificou que as condições ferruginosos, onde Fe (II) esteve presente em uma coluna de água anóxica, eram uma característica persistente dos oceanos em todo o pré-cambriano, e não pode ter sido limitado a apenas o tempo e lugar onde BIF foram depositados 9. Portanto, há pelo menos dois bilhões de anos de história da Terra, interfaces de redox entre Fe (II) e O 2 nos oceanos rasos eram susceptíveis comum.
Numerosos estudos utilizar sites modernos que são análogos químicos e / ou biológicos de características diferentes do oceano pré-cambriano. Um bom exemplo são lagos ferruginosos, onde Fe (II) é estável e presente nas águas de superfície iluminada pelo sol, enquanto a atividade fotossintética (incluindo por cianobactérias) foi detectado 10-13. Os resultados destes estudos fornecem informações sobre as características geoquímicas e microbianas de um ico para anóxico / ferchemocline ruginous. No entanto, estes sites são geralmente fisicamente estratificada com pouca mistura vertical 14, em vez de as interfaces químicas que ocorrem em um sistema de ressurgência, e são pensados para apoiar a produção mais oxigênio no tempo pré-cambriano 4.
Um análogo natural para explorar o desenvolvimento de um oásis de oxigênio marinho sob uma atmosfera anóxica, e por um (II) sistema de ressurgência rico em Fe na coluna de água de superfície iluminada pelo sol não está disponível na Terra moderna. Portanto, é necessário um sistema de laboratório que podem simular uma zona de ressurgência ferruginosas e também apoiar o crescimento de cianobactérias e photoferrotrophs. A compreensão e identificação de processos microbianos e sua interação com um meio aquoso ressurgência que representa a água do mar pré-cambriano promove a compreensão e pode complementar as informações obtidas a partir do disco de rock, a fim de compreender totalmente os processos biogeoquímicos distintivas na Terra antiga. </p>
Para esse fim, uma coluna de escala laboratorial foi concebido em que o Fe (II) rico em meio de água do mar (pH neutro) foi bombeada para a parte inferior da coluna, e bombeado para fora a partir do topo. Iluminação foi fornecido na parte superior para criar um 4 cm de largura "zona photic" que apoiou o crescimento de cianobactérias no top 3 cm. Os ambientes naturais são geralmente estratificada e estabilizado por gradientes físico-químicas, como salinidade ou temperatura. A fim de estabilizar a coluna de água sobre uma escala de laboratório, o cilindro coluna foi empacotada com uma matriz de pérolas de vidro porosa que ajudou a manter o estabelecimento de padrões geoquímico que se desenvolveram durante o experimento. Um fluxo contínuo de gás N2 / CO 2, foi aplicada para lavar o espaço superior da coluna, a fim de manter uma atmosfera anóxica reflectora de um oceano antes da GOE 15. Depois de um fluxo constante de Fe (II) foi estabelecida, cianobactérias foram inoculados através da coluna, e a sua growth foi monitorizada por contagem de células em amostras retiradas através de portas de amostragem. O oxigénio foi monitorada in situ, colocando folhas optode sensíveis ao oxigénio sobre a parede interna do cilindro de coluna e as medições foram feitas com uma fibra óptica a partir de fora da coluna. Aquosa Fe especiação foi quantificada por amostras remoção dos portos de amostragem horizontal de profundidade resolvida e analisados com o método Ferrozine. Os experimentos de controle abióticos e resultados demonstram uma prova de conceito – que um análogo de escala de laboratório da coluna de água antigo, mantido em isolamento da atmosfera, é realizável. Cianobactérias cresceu e produziu o oxigênio, e as reações entre Fe (II) e oxigênio foram resolúvel. Aqui, a metodologia para a concepção, preparação, montagem, execução e amostragem de tal coluna são apresentados, juntamente com os resultados de um 84 horas de execução da coluna enquanto inoculados com a cianobactéria marinha Synechococcus sp. PCC 7002.
Protocol
Representative Results
Discussion
comunidades microbianas no oceano Pré-Cambriano eram regulados pelo, ou modificados como resultado de, a sua actividade e as prevalecentes condições geoquímicas. Ao interpretar as origens da BIF, investigadores geralmente inferir a presença ou a actividade de micro-organismos com base na sedimentology ou Geochemistry de BIF, por exemplo, Smith et ai. 23 e Johnson et ai. 24. O estudo de organismos modernos em ambientes modernos que têm análogos geoquímicos para amb…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Mark Nordhoff ajudou na concepção e implementação de conexões de tubos. Ellen Struve ajudou a seleccionar e adquirir equipamentos utilizados.
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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