做产甲烷古菌导致地下沉积物中还原黄铁矿溶解吗?

黄铁矿(菲斯₂)是最丰富的iron-sulfur海底矿物。强大的热力学和动力学驱动使黄铁矿的主要终端产品减少铁和硫沉积条件下转换。黄铁矿形成的主要途径之一是硫化亚铁的氧化硫化氢(1]:

菲斯+ H₂年代→菲斯₂+ H₂

这个过程可能会被产甲烷古菌,有效地增强消费H₂减少的有限公司₂对CH₄(2]。一个类似的增强可能是由于H₂硫酸盐还原菌的氧化sulfatic沉积物。

黄铁矿是稳定的低温在缺乏氧气和氧化风化,因此其形成的历史可以被记录在沉积岩在地质时间尺度(3,4]。埋葬的黄铁矿和有机质在海洋沉积物为还原能力提供了一个重要的全球水槽的重要性地球表面的氧化态。下面sub-seafloor深度,潜在的氧化剂,如金属氧化物或硫酸盐,已经筋疲力尽,埋藏有机质继续被微生物慢慢退化。甲烷和有限公司₂因此有机碳矿化的最终产品。相比之下,黄铁矿可能接受缓慢的再结晶,但仍然是一个稳定的成品iron-sulfur深成岩作用,缺氧和methanic沉积物。

一项新的研究通过佩恩et al。5最后一条语句)问题。作者执行批处理文化与两种产甲烷古菌实验,产甲烷球菌属voltae和甲烷八叠球菌属巴氏细菌,使用甲酸、甲醇或乙酸作为底物。菲斯₂或四方硫铁矿(菲斯_(麦克))提供了铁和硫的唯一来源。细粒度的菲斯₂要么是laboratory-synthesized根据伯纳(6)或者是由磨黄铁矿晶体。引人注目的观察是,产甲烷菌明显进行了还原菲斯的解散₂。释放铁和硫被用于合成的热点细胞生物量。所需的溶解细胞间身体接触和矿物质,即使是1毫米免费硫化介质。相比之下,这需要sub-nM铁的浓度^{2 +}和H₂年代使黄铁矿溶解在一个纯粹的化学系统7]。作者并没有建议的机制还原黄铁矿溶解但表明它可能扮演了一个角色的铁和硫循环通过地球的地质历史。在接下来,我将简要地考虑这两个方面。

黄铁矿的形成强烈放能在缺氧沉积物。因此,还原溶解是后面一个energy-requiring过程。佩恩和实验的同事,解散了细胞生物量的形成,包括蛋白质的合成和复杂的代数余子式。要求细胞和菲斯之间的身体接触₂谷物表明还原溶解涉及产甲烷菌到矿物表面的电子转移。这样一个电子转移之间的syntrophy细菌和产甲烷菌,即异养细菌释放电子矿物表面而减少产甲烷古菌接收电子有限公司₂对CH₄。矿物质可能铁硫化物,如四方硫铁矿、greigite (Fe₃年代₄)或菲斯₂,或者他们可能是磁铁矿(Fe₃O₄)或黑碳,所有这些都可以作为电导体和电容器8,9,10]。

电子的转移从细菌到矿物质通常包括外膜multihemec型细胞色素(OMCs)和导电pili [9]。较少人知道的产甲烷菌如何接收或释放电子,但一些甲烷八叠球菌属物种OMCs,产甲烷菌有附件,附件。这可能提高了观察产甲烷的形成生物膜在黄铁矿表面,或者启用电子转移,在实验中通过佩恩et al。5]。然而,跨物种的电子转移的一个重要方面,从细菌到产甲烷菌通过矿物,矿物化学成分发生了改变,但不仅仅是作为电子渠道为能量代谢。相比之下,黄铁矿的还原分解函数为生物合成提供铁和年代,大概的分解代谢的能量。

确实如果黄铁矿作为铁源对产甲烷菌和S sub-seafloor,那么定量沉积铁和硫循环的意义吗?我将用一个例子从我们研究波罗的海(博恩霍尔姆盆地站BB02)为了说明这一点,基于以下简单的参数:

a)在最优条件下产甲烷菌的生长产生纯培养是每摩尔CH ca 2 g干重₄生产(11,12];

b)产甲烷菌的含硫量是干重的重量约1%,即。,0.02 g S或0.6×10所示⁻³摩尔是每摩尔CH同化₄生产(13];

c)的最高利率下甲烷生成的硫酸区波罗的海沉积物是10⁻⁹摩尔CH₄厘米⁻³d⁻¹(14];

d)假设产甲烷菌的最佳生长产量、生物合成的年代同化为:10⁻⁹×0.6×10⁻³= 0.6×10⁻¹²摩尔(S cm⁻³d⁻¹= 2×10⁻¹⁰摩尔(S cm⁻³年⁻¹;

e)黄铁矿积累下来的sulfatic区和上部methanic区在这些沉积物4×10的速度⁻⁷摩尔厘米⁻³年⁻¹(15),这是三个数量级的速度比其潜在解散由产甲烷菌的生物合成;

f)峰的甲烷生成率,位于80厘米深度沉积物沉积900年前,黄铁矿浓度6×10⁻⁴摩尔(S cm⁻³。一个完整的营业额的黄铁矿还原溶解因此会> 10⁵年。

总之,甚至在可能的情况下,黄铁矿作为唯一的铁和S源对产甲烷菌和这些最优增长收益,还原黄铁矿溶解不会检测到的铁和硫预算这些海洋沉积物。沉积物比这里的例子进一步离岸较低利率的黄铁矿的形成和甲烷生成,从而维护这一普遍的结论。此外,在这些海洋沉积物大部分甲烷生成,其他iron-sulfur矿物质通常存在,尽管在较低浓度,如四方硫铁矿、greigite、白铁矿、iron-sulfur nano-clusters [7]。黄铁矿因此似乎最不吸引今天的生物合成的铁和硫的来源。

地球历史上的大部分时间里,然而,沉积硫循环是完全不同的,因为缺乏早期地球大气中的氧气(> 2.2 Ga)。这意味着硫酸不丰富的海洋中,黄铁矿氧化的解散不发生。目前唯一已知的路线通过缺氧对黄铁矿溶解铁(III)的途径。一个有趣的可能性,佩恩等人的结果是,他们正在观察微生物的新陈代谢从古代遗迹的痕迹,当还原黄铁矿溶解可能是一个更重要的同化硫和铁的资源。

微生物,黄铁矿的观察可能减少了产甲烷菌生物合成的目的是非常有趣的电子转移过程和化学改变。地球化学,它有趣的是一个高度稳定iron-sulfur矿物黄铁矿可能攻击和溶解厌氧微生物。未来的研究应该关注菲斯的性质₂形成综合实验室和高度晶黄铁矿的表面性质后研磨成粉末。佩恩等人的新结果。5)也呼吁更详细的研究古生菌之间的电子转移和导电或半导电的矿物质。这样一个conductive-particle-mediated种间电子转移(CIET;(16])也可能是参与厌氧之间的syntrophy methane-oxidizing sub-seafloor古生菌和硫酸盐还原菌。