我们在实验室规模的垂直流通柱中模拟了一个前寒武纪富铁海洋上升流系统。目的是了解O₂、H₂S和Fe²⁺的地球化学剖面如何在类似前寒武纪海洋的条件下相互作用，并影响微生物群落的结构与功能。2 以及随着蓝细菌产生氧气，Fe(II) 发生演变2结果表明，由于光合作用产生的氧气氧化亚铁离子（Fe(II)），形成了化学跃层。2.
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摘要
摘要
一种关于某些前寒武纪条带状铁建造（BIF）沉积的传统观点认为，来自前寒武纪海洋中热液源的二价铁离子 [Fe(II)] 上涌后，被蓝细菌产生的分子氧 [O2] 氧化。在大约24亿年前的大氧化事件（GOE）之前沉积的最古老BIF，可能是在无氧条件下由不产氧光合铁氧化微生物直接氧化Fe(II)而形成的。为了检验不同生物条件下所形成的地球化学和矿物学模式，我们设计了一个长40 cm的垂直贯通式反应柱，用于在实验室尺度上模拟代表古代海洋环境的无氧富Fe(II)海水上涌系统。该圆柱体填充了多孔玻璃珠基质，以稳定地球化学梯度，并可在整个水柱中采集液体样品用于铁含量测定。通过外部的光学传感器非侵入式检测溶解氧。在生物实验中，Fe(II)从底部向上涌流，顶部提供明确的光照梯度，且水体中存在蓝细菌，实验结果清晰地显示出Fe(III)矿物沉淀物的形成以及Fe(II)与O2之间化学跃迁层（chemocline）的发展。该反应柱系统使我们能够在模拟的前寒武纪海洋条件下培养蓝细菌（未来还可培养光合铁氧化微生物），从而检验BIF形成的各类假说。此外，我们推测该反应柱设计还可用于模拟多种化学与物理环境——包括浅海或湖泊沉积环境。
引言
前寒武纪（46亿至5.41亿年前）大气中光合作用产生的氧气（O2）逐渐积累，这一过程可能在约24亿年前发生过被称为"大氧化事件"（GOE）的阶段性跃变，并在新元古代（10亿至5.41亿年前）再次发生，当时大气O2浓度接近现代水平1。蓝细菌是最早能够进行产氧光合作用的生物在进化上的遗留后代2。地球化学证据和模型研究支持浅海沿岸环境曾孕育着活跃的蓝细菌群落，或具有产氧光合作用能力的生物（即产氧光能自养生物），在主要为缺氧状态的大气下方，于表层海洋中形成局部的富氧绿洲3-5。
在整个前寒武纪时期，条带状铁建造（BIFs）从海水中沉积形成，表明亚铁离子（Fe(II)）至少在局部区域是当时海水中重要的地球化学组分。一些规模最大的BIFs属于深海沉积物，形成于大陆架和大陆坡以外的区域。从质量平衡的角度来看，沉积的铁含量无法主要由陆源（即风化作用）提供。因此，大部分铁必须来源于对镁铁质或超镁铁质洋壳的热液蚀变6。对沿海环境以外区域铁沉积速率的估算结果与通过上升流将Fe(II)输送至表层海洋的通量相一致7。为了使铁能够在上升流中被输送，其必须以还原态、可移动的形式存在——即Fe(II)。BIF中保存的铁的平均氧化态为2.48，通常认为BIF中保存的铁是以Fe(III)形式沉积下来的，这....
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方案
1. 培养基的制备
注意：培养基制备所需的仪器、化学品和耗材信息列于表1中。括号中的斜体字母数字代码对应表2中列出并在图1中展示的仪器。
- 配制5 L海洋光合生物培养基（Marine Phototroph medium，以下简称MP培养基） "培养基"）按照吴的方案进行 等16. 使用无氧且无菌的 1 M HCl 或 0.5 M NaCO 调节 pH 至 6.83. 作为Fe(II)的来源，加入3.5 ml无氧且无菌的1 M FeCl₂溶液2-溶液，以确保在下一步过滤培养基溶液后，Fe(II) 的终浓度为 500 µM。
- 将培养基溶液在 5 °C 下储存 48 小时，以沉淀 Fe(II) 碳酸盐和磷酸盐矿物。由于 Fe(II) 的添加及铁矿物的沉淀会导致 pH 变化，因此需将 pH 重新调节至 6.8。在无氧（100% N₂）条件下过滤培养基2) 手套箱中，通过0.22 µm滤器过滤。将过滤后的培养基分装至无菌的5 L玻璃瓶中（E.'1在手套箱内进行操作，并用无菌丁基橡胶塞密封。
- 用 N₂ 冲洗培养基瓶的顶空部分2/CO2（v/v，9....
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结果
对照实验
非生物对照实验（10天）始终显示低氧浓度（O₂）2 <0.15 mg/L），在整个上升水体中Fe(II)剖面无显著波动。培养基储液器中沉淀物（可能为Fe(III)(氧氢)氧化物）的形成，以及10天内总Fe(II)浓度从500 µM轻微下降至440 µM，表明通过橡胶连接处存在一定程度的氧气扩散例如, E.6；gp.1 在 图 1)22. 在本实验中，可合理达到的最低氧浓度为≤0.15 mg/L，该范围适用于对氧气进行敏感定量检测，且高于0.03 mg/L的检测限。在本文其余部分，低于0.15 mg/L的氧气值均称为“无氧”（anoxic）。
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讨论
前寒武纪海洋中的微生物群落受到其自身活动及当时地球化学条件的调控，或因这些因素而发生改变。在解释条带状铁建造（BIF）成因时，研究人员通常依据BIF的沉积学特征或地球化学特征来推断微生物的存在或活动。 例如，Smith 等23 和约翰逊 等24在具有与古代环境地球化学相似的现代环境中，对现代生物体进行研究也是一种有价值的方法， 例如， Crowe 等11 和 Koeksoy 等14第三种方法是利用经过设计的实验室系统中的生物体，模拟前寒武纪海洋中发生的过程， 例如， Krepski 等25这种方法可用于检验特定假设，并去除现代系统中可能存在但并非前寒武纪海洋组成部分的化学或生物因素。例如， 水生植物和动物）。因此，我们提出一种动态实验室上升流系统的概念验证方法，可在受控的实验室条件下评估（蓝）细菌的活性及其对形成地球化学剖面的影响。该柱状系统可用于检验关于参与条带状铁建.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
Mark Nordhoff 协助设计和实施管路连接。Ellen Struve 协助选择并获取所用设备。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 维德尔烧瓶（5 L） | Ochs | 110015 | labor-ochs.de |
| 玻璃瓶（5 L） | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com |
| 玻璃移液管（5 ml） | 51714 | labor-ochs.de | |
| 0.22 µm Steritop 滤器单元（0.22 µm 聚醚砜膜） | Millipore | X337.1 | carlroth.com |
| 铝箔 | |||
| 无菌鲁尔锁紧玻璃注射器，内填棉花 | C681.1 | carlroth.com | |
| 鲁尔锁紧不锈钢针头（150 mm，1.0 mm 内径） | 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 |
| 玻璃量筒 | Y310.1 | carlroth.com | |
| 玻璃棉 | 7377.2 | carlroth.com | |
| 玻璃珠（ø 0.55 - 0.7 mm） | 11079105 | biospec.com | |
| 丁基橡胶塞（ø 1.2 cm） | 271024 | labor-ochs.de | |
| 玻璃培养皿（ø 8.0 cm） | T939.1 | carlroth.com | |
| 聚合物胶水 | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |
| 光学氧传感器膜片（用于氧气分析，见下文） | – 按需提供 – | presens.de | |
| 橡胶管（35 mm，7 mm 内径） | 770350 | labor-ochs.de | |
| 鲁尔锁紧管接头（3.0 mm，鲁尔锁公头 = LLM） | P343.1 | carlroth.com | |
| 鲁尔锁紧管接头（3.0 mm，鲁尔锁母头 = LLF） | P335.1 | carlroth.com | |
| 橡胶管（25 mm，0.72 mm 内径） | 2600185 | newageindustries.com | |
| 橡胶管（50 mm，7 mm 内径） | 770350 | labor-ochs.de | |
| 鲁尔锁紧不锈钢针头（150 mm，1.0 mm 内径） | 201015 | labor-ochs.de | |
| 鲁尔锁紧玻璃注射器（10 ml） | C680.1 | carlroth.com | |
| 松散棉花 | – | ||
| 丁基橡胶塞（ø 1.75 cm） | 271050 | labor-ochs.de | |
| 不锈钢针头（40 mm，1.0 mm 内径） | Sterican | 4665120 | bbraun.de |
| 鲁尔锁紧不锈钢针头（150 mm，1.5 mm 内径） | 201520 | labor-ochs.de | |
| 位置：C.7 处的鲁尔锁母头连接件部分 | |||
| 聚合物胶水 | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |
| 不锈钢针头（120 mm，0.7 mm 内径） | Sterican | 4665643 | bbraun.de |
| 橡胶管（40 mm，0.74 mm 内径） | 2600185 | newageindustries.com | |
| 热缩管（35 mm，收缩后内径 3 mm） | 541458 - 62 | conrad.de | |
| 管夹 | STHC-C-500-4 | tekproducts.com | |
| 鲁尔锁紧管接头（1.0 mm，LLF） | P334.1 | carlroth.com | |
| 鲁尔锁紧塑料帽（LLM） | CT69.1 | carlroth.com | |
| 玻璃瓶（5 L） | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com |
| 丁基橡胶塞（适用于 GL45） | 444704 | labor-ochs.de | |
| 不锈钢毛细管（300 mm，0.74 mm 内径） | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| 不锈钢毛细管（50 mm，0.74 mm 内径） | 56737 | sigmaaldrich.com | |
| 热缩管（35 mm，收缩后内径 3 mm） | 541458 - 62 | conrad.de | |
| 橡胶管（100 mm，0.74 mm 内径） | 2600185 | newageindustries.com | |
| 鲁尔锁紧管接头（1.0 mm，LLF） | P334.1 | carlroth.com | |
| 鲁尔锁紧玻璃注射器（10 ml） | C680.1 | carlroth.com | |
| 松散棉花 | – | ||
| 丁基橡胶塞（ø 1.75 cm） | 271050 | labor-ochs.de | |
| 不锈钢针头（40 mm，0.8 mm 内径） | Sterican | 4657519 | bbraun.de |
| 鲁尔锁紧玻璃注射器（5 ml） | C679.1 | carlroth.com | |
| 丁基橡胶塞（ø 1.75 mm） | 271050 | labor-ochs.de | |
| 橡胶管（40 mm，0.74 mm 内径） | 2600185 | newageindustries.com | |
| 玻璃瓶（2 L） | Rotilabo | X716.1 | carlroth.com |
| 丁基橡胶塞（适用于 GL45） | 444704 | labor-ochs.de | |
| 不锈钢毛细管（50 mm，0.74 mm 内径） | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| 橡胶管（30 mm × 0.74 mm 内径） | 2600185 | newageindustries.com | |
| 橡胶管（100 mm × 0.74 mm 内径） | 2600185 | newageindustries.com | |
| 鲁尔锁紧管接头（1.0 mm，LLF） | P334.1 | carlroth.com | |
| 鲁尔锁紧三通接头（LLF，2×LLM） | 6134 | cadenceinc.com | |
| 光源 | Samsung | SI-P8V151DB1US | samsung.com |
| 蠕动泵 | Ismatec | EW-78017-35 | coleparmer.com |
| 泵用管（0.89 mm 内径） | EW-97628-26 | coleparmer.com | |
| 不锈钢毛细管（200 mm，0.74 mm 内径） | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| 不锈钢毛细管（400 mm，0.74 mm 内径） | 56737 | sigmaaldrich.com | |
| Supel-Inert 膜袋（Tedlar - PFC）气体采样袋（10 L） | 30240-U | sigmaaldrich.com | |
| 橡胶管（30 mm，6 mm 内径） | 770300 | labor-ochs.de | |
| 鲁尔锁紧管接头（3.0 mm，LLM） | P343.1 | carlroth.com | |
| 鲁尔锁紧管接头（3.0 mm，LLF） | P335.1 | carlroth.com | |
| 气密注射器（20 ml） | C681.1 | carlroth.com | |
| 本生灯 | – | ||
| 光纤氧测定仪，用于氧气定量 | Presens | TR-FB-10-01 | presens.de |
| 真空泵 | – | ||
| 用于氧光学传感器的硅胶 | Presens | PS1 | presens.de |
参考文献
- Lyons, T. W., Reinhard, C. T., Planavsky, N. J. The rise of oxygen in Earth's early ocean and atmosphere. Nature. 506 (7488), 307-315 (2014).
- Raymond, J., Blankenship, R. E. The origin of the oxygen-evolving complex. Coord. Chem. Rev. 252 (3-4), 377-383 (2008).
- Kendall, B., Reinha....
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重印与许可
