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。
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この記事について
サマリー
要約
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。
概要
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....
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プロトコル
培養培地の調製
注：培地の調製のために必要な機器、化学品および消耗品に関する情報が表に記載されている1括弧内のイタリック英数字コードは、表2に箇条書きと図1に示す装置を参照してください。
- Wu らのプロトコルに従って（「媒体」と呼ぶ）海洋光合成細菌（MP）培地5 Lを準備します。16。無酸素と滅菌1 M HClまたは0.5 MのNaCO 3を使用してpHを6.8に調整します。鉄（II）の供給源としては、次のステップで培地溶液を濾過した後、500μMの最終的な鉄（II）濃度を達成するために1 M無酸素および無菌のFeCl 2 -溶液の3.5ミリリットルを追加します。
- 鉄（II）、炭酸およびリン酸塩鉱物を沈殿させるために48時間5℃の媒体液を保管してください。 pHの鉄（II）が加算とFe鉱物沈殿結果変更は、したがって、戻ってpHを6.8に再調整します。 0.22μmのフィルターユニットを通して無酸素（100％N 2）グローブボックス内の培地をフィルタリングします。無菌のブチルゴム栓で濾過グローブボックス内部の滅菌5Lのガラス瓶（E.'1）への培地、....
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結果
対照実験
非生物的対照実験（10日）は一貫して低い酸素濃度を示した（O 2 <-profile湧昇水柱全体でのFe（II）に有意な変動には0.15mg / L）。 10日間の媒体貯蔵および440μMまで500μMから全体的な鉄（II）濃度がわずかに減少中の析出物の形成（おそらく鉄（III）（oxyhydr-）酸化物）は、ゴム製の接続を介して、いくつかの酸素の拡散を示しています22;（ 例えば 、E.6 図 1のgp.1）この実験のために、合理的に達成した最低酸素濃度が≤0.15mg / Lであったと敏感な酸素定量化のためにとの検出限界より上の範囲です。 0.03 mg / Lで。 0.1.......
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ディスカッション
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代の環境では、現代の生物の研究でも、貴重なアプローチ、 例えば、クロウら 11とKoeksoy らである。14。第三のアプローチは、先カンブリア紀の海で行われているプロセスをシミュレーション工学研究室のシステム、 例えば、Krepski らに生物を利用している。25。このタイプのアプローチは、特定の仮説を検証し、現代のシステムに存在する可能性のある化学的または生物学的要因を除去するのに有用であるが、ありま.......
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開示事項
著者らは、開示することは何もありません。
謝辞
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。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Widdelフラスコ(5 L) | Ochs | 110015 | labor-ochs.de |
| ガラス瓶(5 L) | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com |
| ガラスピペット(5 ml) | 51714 | labor-ochs.de | |
| 0.22 µm ステリトップフィルターユニット (0.22 &マイクロ;m ポリエーテルスルホン膜) | Millipore | X337.1 | carlroth.com |
| アルミ箔 | |||
| 滅菌ルアーロックガラスシリンジ、綿 | C681.1 | carlroth.com | |
| ルアーロックステンレス鋼針(150 mm、1.0 mm ID) | 201015 labor-ochs.de | ||
| NaCl | Sigma | 433209 | sigmaaldrich.com |
| MgSO4 | Sigma | 208094 | sigmaaldrich.com CaCl |
| 2 | Sigma | C4901 | sigmaaldrich.com |
| NH4Cl | Σ | A9434 | sigmaaldrich.com |
| KH2PO4 | Sigma | P5655 | sigmaaldrich.com |
| KBr | Sigma | P3691 | sigmaaldrich.com |
| KCl | Sigma | P9541 | sigmaaldrich.com |
| ガラスシリンダー | Y310.1 | carlroth.com | |
| グラスウール | 7377.2 | carlroth.com | |
| ガラスビーズ (ø 0.55 - 0.7 mm) | 11079105 | biospec.com | |
| ブチルゴム栓(1.2cm) | 271024 | labor-ochs.de | |
| ペトリ皿、ガラス(8.0cm)cm) | T939.1 carlroth.com | ||
| ポリマー接着剤 | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |
| 光学式酸素センサー箔(酸素分析用、下記参照) | – ご要望に応じて – | presens.de | |
| ゴムチューブ(35 mm、7 mm ID) | 770350 | labor-ochs.de | |
| ルアーロックチューブコネクタ (3.0 mm、ルアーロックオス = LLM) | P343.1 | carlroth.com | |
| ルアーロックチューブコネクタ (3.0 mm、ルアーロックメス= LLF) | P335.1 | carlroth.com | |
| ゴムチューブ (25 mm、内径 0.72 mm) | 2600185 | newageindustries.com | |
| ゴムチューブ (50 mm、7 mm ID) | 770350 | labor-ochs.de | |
| ルアーロックステンレス鋼針 (150 mm、1.0 mm ID) | 201015 | ||
| labor-ochs.de ルアーロックガラスシリンジ (10 ml) | C680.1 | carlroth.com | |
| ルースコットン | – | ||
| ブチルゴムストッパー(ø 1.75 cm) | 271050 | labor-ochs.de | |
| ステンレス鋼針(40 mm、1.0 mm ID) | ステリカン | 4665120 | bbraun.de |
| ルアーロックステンレス鋼針(150mm、1.5mm内径) | 201520 | labor-ochs.de | |
| 位置:C.7 | |||
| ポリマー接着剤OTTOSEAL | S68 | adchem.de | |
| ステンレス鋼針(120mm、0.7mm) | ステリカン | 4665643 | bbraun.de |
| ゴムチューブ(40mm、内径0.74mm) | 2600185 | newageindustries.com | |
| 熱収縮チューブ(35 mm、3 mm ID 収縮) | 541458 - 62 | conrad.de | |
| チューブ クランプ | STHC-C-500-4 | tekproducts.com | |
| ルアー ロック チューブ コネクタ (1.0 mm、LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| ルアー ロック プラスチック キャップ (LLM) | CT69.1 | carlroth.com | |
| ガラス ボトル (5 L) | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com |
| ブチル ゴム ストッパー (GL45) | 444704 | labor-ochs.de | |
| ステンレス鋼キャピラリー(300 mm、0.74 mm ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| ステンレス鋼キャピラリー(50 mm、0.74 mm ID) | 56737 | sigmaaldrich.com | |
| シュリンクチューブ(35 mm、3 mm 内径収縮) | 541458 - 62 | conrad.de | |
| ゴムチューブ (100 mm, 0.74 mm 内径) | 2600185 | newageindustries.com | |
| ルアーロックチューブコネクター (1.0 mm, LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| ルアーロックガラスシリンジ (10 ml) | C680.1 | carlroth.com | |
| ルースコットン | – | ||
| ブチルゴムストッパー(ø 1.75 cm) | 271050 | ||
| labor-ochs.de ステンレス鋼針(40 mm、0.8 mm ID) | ステリカン | 4657519 | bbraun.de |
| ルアーロックガラスシリンジ(5ml) | C679.1 | carlroth.com | |
| ブチルゴム栓(ø 1.75 mm) | 271050 | labor-ochs.de | |
| ゴムチューブ(40 mm、0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| ガラス瓶(2 L) | Rotilabo | X716.1 | carlroth.com |
| ブチルゴムストッパー(GL45用) | 444704 | labor-ochs.de | |
| ステンレス製キャピラリー(内径50mm、内径0.74mm) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| ゴムチューブ(内径30mm×0.74mm) | 2600185 | newageindustries.com | |
| ゴムチューブ(内径100mm×0.74mm) | 2600185 | newageindustries.com | |
| ルアーロックチューブコネクター(1.0mm、LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| ルアーロック3ウェイコネクタ(LLF、2x LLM) | 6134 | cadenceinc.com | |
| 光源 | SI-P8V151DB1US | ||
| samsung.com 蠕動ポンプ | Ismatec | EW-78017-35 | coleparmer.com |
| ポンプチューブ(0.89 mm ID) | EW-97628-26 | coleparmer.com | |
| ステンレス鋼キャピラリー (200 mm、0.74 mm ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| ステンレス鋼キャピラリー (400 mm、0.74 mm ID) | 56737 | sigmaaldrich.com | |
| Supel-Inert Foil (Tedlar - PFC) ガスパック (10 L) | 30240-U | sigmaaldrich.com | |
| ゴムチューブ (30 mm、6 mm ID) | 770300 | labor-ochs.de | |
| ルアーロックチューブコネクター (3.0 mm, LLM) | P343.1 | carlroth.com | |
| ルアーロックチューブコネクター (3.0 mm, LLF) | P335.1 | carlroth.com | |
| ガスタイトシリンジ (20 ml) | C681.1 | carlroth.com | |
| ブンゼンバーナー | – | ||
| 酸素定量用光ファイバー酸素計 | Presens | TR-FB-10-01 | presens.de |
| 真空ポンプ | – | ||
| 酸素オプトード用シリコーン接着剤 | 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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再版と許可
