Nhà địa hóa học Alexandra Phillips có điểm yếu về lưu huỳnh. Nguyên tố màu vàng này là một chất dinh dưỡng đa lượng quan trọng và cô đang cố gắng tìm hiểu cách nó được tái chế trong môi trường. Cụ thể, cô tò mò về chu trình lưu huỳnh trong các đại dương cổ xưa trên Trái đất khoảng 3 tỷ năm trước.
Một nghiên cứu về chu trình lưu huỳnh ở Hồ Superior bắt chước các đại dương trên Trái đất cổ đại cho thấy một chu trình lưu huỳnh mới nhấn mạnh vai trò của lưu huỳnh hữu cơ. Khám phá này giúp chúng ta hiểu sâu hơn về hóa học sơ khai của Trái đất và sự tiến hóa của đời sống vi sinh vật.
May mắn thay, vùng nước nghèo dinh dưỡng của Hồ Superior cho chúng ta cái nhìn thoáng qua về quá khứ. Phillips, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học California, Santa Barbara và Đại học Minnesota Duluth, cho biết đây là một cơ hội tốt. Cô và các đồng tác giả đã phát hiện ra một loại chu trình lưu huỳnh mới trong hồ. Phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Limnology and Oceanography, tập trung vào vai trò của các hợp chất lưu huỳnh hữu cơ trong chu trình sinh địa hóa này.
Tìm hiểu về sunfat và hydro sunfua
Ion sunfat (SO4) là dạng lưu huỳnh phổ biến nhất trong môi trường và là thành phần chính của nước biển. Ở đáy đại dương và hồ thiếu oxy, một số vi sinh vật kiếm sống bằng cách chuyển đổi sunfat thành hydro sunfua (H2S). Số phận của hydro sunfua rất phức tạp: Nó có thể bị vi sinh vật tiêu thụ nhanh chóng trong quá trình hô hấp hoặc có thể tồn tại trong trầm tích hàng triệu năm. Chuyển đổi sunfat thành hydro sunfua là một công việc lâu đời; bằng chứng di truyền cho thấy vi sinh vật đã bắt đầu làm điều này ít nhất 3 tỷ năm trước.
Nhưng các nhà khoa học tin rằng sunfat không trở nên dồi dào cho đến khoảng 2,7 tỷ đến 2,4 tỷ năm trước, khi quá trình quang hợp của vi khuẩn lam mới tiến hóa bắt đầu cung cấp một lượng lớn oxy cho đại dương và khí quyển. Vậy những vi khuẩn cổ xưa này lấy sunfat từ đâu?
Alexandra Phillips là nhà khoa học về đại dương và khí hậu có chuyên môn về hải dương học, địa hóa học và địa sinh học. Nghiên cứu của cô tập trung vào lưu huỳnh hữu cơ trong đại dương và hồ cũng như cách mạng xã hội có thể tạo ra những hình mẫu đa dạng cho phụ nữ trong các lĩnh vực STEM. Phillips cũng là nhà truyền thông khoa học và quan chức chính sách.
Tầm quan trọng của organosulfur
Để giải quyết vấn đề này, Phillips đã chuyển sang organosulfur, các phân tử trong đó lưu huỳnh được kết hợp với các hợp chất cacbon. Những phân tử này bao gồm sulfatide và axit amin chứa lưu huỳnh. Trong các đại dương hiện đại, sunfat dồi dào hơn gần một triệu lần so với lưu huỳnh hữu cơ. Bà nói: “Nhưng trong một hệ thống không có nhiều sunfat, lưu huỳnh hữu cơ đột nhiên trở nên quan trọng hơn rất nhiều”. Katsev, một nhà khoa học cao cấp trong dự án do Quỹ Khoa học Quốc gia tài trợ, cho biết: "Trong một thời gian dài, "Suy nghĩ của chúng ta bị chi phối bởi những gì chúng ta học được từ các đại dương hiện đại, nơi giàu sunfat". Tuy nhiên, để hiểu về Trái đất sơ khai đòi hỏi phải nghiên cứu các quá trình xảy ra khi sunfat khan hiếm và đây là lúc lưu huỳnh hữu cơ có thể thay đổi toàn bộ mô hình." đại dương
Hồ Superior có hàm lượng sunfat rất thấp, gần bằng một phần nghìn so với các đại dương hiện đại. Phillips cho biết: “Về mặt sunfat, Hồ Superior trông gần giống với các đại dương hàng tỷ năm trước hơn, có khả năng giúp chúng ta hiểu được các quá trình mà chúng ta không thể quay ngược thời gian để quan sát trực tiếp”. "Các đại dương thời kỳ đầu có hàm lượng sunfat rất thấp vì có ít oxy tự do hơn để tạo thành sulfur dioxide."
Great Lakes tương tự như các đại dương cổ đại, cho phép Phillips biết chu trình lưu huỳnh sẽ hoạt động như thế nào trong các điều kiện hóa học tương tự vào thời điểm đó. Ba câu hỏi hiện lên trong đầu cô:
Nếu quá trình khử sunfat xảy ra thì vi sinh vật nào chịu trách nhiệm?
Nếu lưu huỳnh hữu cơ cung cấp nhiên liệu cho quá trình này thì vi khuẩn thích loại hợp chất nào hơn? Điều gì xảy ra với hydro sunfua được tạo ra bởi
?
Phillips và cộng tác viên của cô đã đến Hồ Superior để theo dõi hành trình của lưu huỳnh hữu cơ từ nguồn đến chìm. Nhóm nghiên cứu đã mang mẫu nước và trầm tích từ hai địa điểm trở lại phòng thí nghiệm để phân tích: Một địa điểm có nhiều oxy trong trầm tích, địa điểm còn lại thì không. Sự khử sunfat thường xảy ra ở nơi môi trường thiếu oxy. Oxy là nguồn tài nguyên tốt nên các sinh vật thích sử dụng oxy hơn là sunfat khi có thể. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp metagenomics để tìm ra các vi khuẩn có gen liên quan đến quá trình khử sunfat. Họ tìm thấy nhiều vi sinh vật phong phú trong các lớp trầm tích nơi nồng độ sunfat đạt đỉnh điểm. Tổng cộng, họ đã tìm thấy 8 nhóm phân loại có khả năng khử sunfat.
Điều tra sở thích về lưu huỳnh hữu cơ
Sau đó, các nhà nghiên cứu bắt đầu xác định xem vi khuẩn ưa thích lưu huỳnh hữu cơ nào. Họ cung cấp cho các cộng đồng vi sinh vật khác nhau các dạng lưu huỳnh hữu cơ khác nhau và quan sát kết quả. Các tác giả nhận thấy rằng hầu hết sunfat do vi khuẩn tạo ra đều đến từ lipit lưu huỳnh chứ không phải axit amin lưu huỳnh. Mặc dù quá trình này đòi hỏi một ít năng lượng nhưng nó ít hơn nhiều so với những gì vi khuẩn thu được từ việc khử sunfat thành hydro sunfua sau đó.
Lipid lưu huỳnh không chỉ được ưu tiên cho quá trình này mà còn có nhiều hơn trong trầm tích. Lipit lưu huỳnh được tạo ra bởi các cộng đồng vi sinh vật khác và trôi xuống đáy hồ khi chúng chết.
Sau khi trả lời câu hỏi "ai" và "như thế nào", Phillips chuyển sự chú ý sang nơi hydro sunfua đi. Trong các đại dương hiện đại, hydro sunfua có thể phản ứng với sắt để tạo thành pyrit. Nhưng nó cũng có thể phản ứng với các phân tử hữu cơ để tạo thành các hợp chất lưu huỳnh hữu cơ. Cô nói: "Chúng tôi rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng có một lượng lớn chất hữu cơ bị lưu huỳnh hóa trong hồ. Lưu huỳnh hữu cơ không chỉ là chất thúc đẩy chu trình lưu huỳnh mà còn là chất cuối cùng làm chìm hydro sunfua.
Chu trình lưu huỳnh mớiTAG PH23
Chu trình này—từ Phillips cho biết: “Các nhà khoa học nghiên cứu hệ thống thủy sinh cần bắt đầu coi lưu huỳnh hữu cơ là nhân tố trung tâm”. Các hợp chất này có thể thúc đẩy chu trình lưu huỳnh trong môi trường nghèo dinh dưỡng như Hồ Superior và thậm chí cả trong các đại dương cổ đại. Nhưng trong đại dương, sunfat dồi dào đến mức hành vi của nó che khuất phần lớn tín hiệu của chúng ta", tác giả cấp cao Morgan Raven, nhà hóa sinh học UC Santa Barbara cho biết. "Nghiên cứu ở Hồ Superior có hàm lượng sunfat thấp cho phép chúng tôi thấy được động lực thực sự của chu trình lưu huỳnh hữu cơ trong trầm tích. Lưu huỳnh hữu cơ dường như đóng vai trò là nguồn năng lượng cho các cộng đồng vi sinh vật và bảo tồn cacbon hữu cơ cũng như các hóa thạch phân tử. Kết hợp lại, những yếu tố này có thể giúp các nhà khoa học hiểu được sự tiến hóa của các vi khuẩn chu trình lưu huỳnh ban đầu và tác động của chúng đối với địa hóa học."
Phillips nói thêm rằng một số phản ứng sinh hóa sớm nhất có thể liên quan đến lưu huỳnh. "Chúng tôi tin rằng lưu huỳnh đóng một vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất thực sự ban đầu. Hiểu rõ hơn về chu trình lưu huỳnh có thể làm sáng tỏ cách các dạng sống ban đầu khai thác hóa học oxi hóa khử này."