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Jun 01, 2023

Assinaturas isotópicas de ferro estáveis ​​excepcionalmente baixas em sedimentos marinhos profundos causadas pela destilação Rayleigh

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10281 (2023) Citar este artigo 467 Acessos Detalhes do Métricas Sugere-se que a redução dissimilatória de ferro (DIR) seja uma das primeiras formas de microbiota

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10281 (2023) Citar este artigo

467 Acessos

Detalhes das métricas

Sugere-se que a redução dissimilatória de ferro (DIR) seja uma das primeiras formas de respiração microbiana. Desempenha um papel importante no ciclo biogeoquímico do ferro em sedimentos modernos e antigos. Como a ciclagem microbiana do ferro é normalmente acompanhada pelo fracionamento de isótopos de ferro, isótopos de ferro estáveis ​​são usados ​​como marcadores de atividade biológica. Aqui apresentamos dados de isótopos de ferro para piscinas de ferro sedimentares dissolvidas e extraídas sequencialmente de sedimentos profundos e quentes do fundo do mar recuperados na calha Nankai, no Japão. O ferro dissolvido (Fe(II)aq) é isotopicamente leve em todo o intervalo de sedimentos ferruginosos, mas algumas amostras têm valores de isótopos excepcionalmente leves. Tais valores de luz nunca foram relatados em ambientes marinhos naturais e não podem ser atribuídos apenas ao DIR. Mostramos que os valores dos isótopos leves são melhor explicados por um modelo de destilação de Rayleigh, onde o Fe (II) aq é continuamente removido da água dos poros por adsorção em superfícies de óxido de ferro (oxi-hidro). Embora a liberação de Fe (II) aq mediada microbianamente tenha cessado devido a um aumento na temperatura além do limiar dos microrganismos mesófilos, a remoção adsortiva abiótica de Fe (II) aq continuou, levando a valores de isótopos exclusivamente leves. Estas descobertas têm implicações importantes para a interpretação dos dados de isótopos de ferro dissolvidos, especialmente em sedimentos profundos do fundo marinho.

O ferro (Fe), um dos elementos mais abundantes na Terra, é um elemento sensível ao redox que ocorre principalmente como Fe ferroso (II) e férrico (III). Os microrganismos adquirem energia reduzindo ou oxidando o Fe entre os estados redox/oxidação de Fe (II) e Fe (III) . Estas reações estão fortemente ligadas aos ciclos dos elementos carbono e enxofre, impondo-se assim um importante impulsionador dos ciclos biogeoquímicos globais. A redução dissimilatória de Fe (III) (DIR) está entre as primeiras vias metabólicas microbianas na Terra, e os microrganismos redutores de Fe (III) podem ser os principais habitantes da biosfera profunda e quente . A biosfera profunda aqui refere-se a sedimentos marinhos mais profundos do que 5 m abaixo do fundo do mar (mbsf) e continua por várias centenas a milhares de metros no fundo do mar4.

Análises de isótopos de ferro estáveis ​​são amplamente aplicadas para rastrear e decifrar fontes de Fe, transporte e vias de reação em ambientes marinhos . A proporção dos dois isótopos de Fe mais abundantes (54Fe e 56Fe), comumente expressa como δ56Fe (‰), pode fornecer informações valiosas sobre o ciclo biogeoquímico de Fe e pode ser usada como um proxy para processos mediados microbianamente em sedimentos marinhos modernos e antigos . 12,13. O notável fracionamento isotópico de Fe ocorre durante processos redox . O fracionamento mais pronunciado de até -3‰ em comparação com a composição isotópica média de rochas ígneas (δ56Fe = 0,09 ± 0,05‰, 1SD ref.17) é causado pela troca acoplada de elétrons e átomos de Fe entre Fe (II) e Fe (III) em superfícies de óxido de Fe durante DIR15,16. Como os micróbios consomem preferencialmente 54Fe em vez de 56Fe, o respectivo Fe dissolvido (Fe(II)aq) é isotopicamente leve, enquanto o Fe(III) residual torna-se progressivamente enriquecido em 56Fe isotopicamente pesado5,16,18. Os isótopos de ferro também fracionam durante processos abióticos, incluindo a adsorção de Fe (II) aq em superfícies minerais (adsorção preferencial de 56Fe isotopicamente pesado) ou a precipitação de minerais de Fe (o fracionamento depende se a reação é controlada cineticamente ou em equilíbrio)14,20,21,22. Embora vários estudos tenham se concentrado no fracionamento de isótopos de Fe durante a diagênese inicial em sedimentos rasos (<5 mbsf)6,18,23, até o momento não existem registros isotópicos para Fe dissolvido em sedimentos profundos do fundo marinho (> 5 mbsf).

Aqui, investigamos amostras de água dos poros e de fase sólida que foram coletadas durante a Expedição 370 do Programa Internacional de Descoberta do Oceano (IODP) de um buraco de 1180 m de profundidade (Site C0023) perfurado no Nankai Trough, próximo ao Cabo Muroto, Japão. Temperaturas de até 120 °C na interface sedimento-embasamento e alto fluxo de calor caracterizam o Sítio C0023 (ref.24). O objetivo da expedição era explorar o limite de temperatura da vida microbiana e identificar assinaturas geoquímicas e microbianas que diferenciam os reinos biótico e abiótico25. O Fe dissolvido foi detectado predominantemente em um intervalo caracterizado por quantidades elevadas de camadas de cinzas vulcânicas (Fig. 1a) , sugerindo que as cinzas vulcânicas fornecem minerais redutíveis que estimulam a redução do Fe microbiano e a liberação de Fe (II) aq. Para avaliar o papel das camadas de cinzas e a disponibilidade de fases de Fe para processos biogeoquímicos na biosfera profunda e quente, realizamos extrações sequenciais de fases reativas de Fe em cinzas vulcânicas discretas e amostras de rochas lamacentas circundantes . Dado que os sedimentos no local C0023 já estão consolidados25, utilizamos o termo 'rocha lamacenta' a seguir. Ao combinar análises de δ56Fe da água dos poros e do Fe extraído, outro objetivo foi decifrar se a composição isotópica do Fe dissolvido e reativo na fase sólida é indicativa de redução microbiana do Fe. Nossa hipótese é que valores negativos de δ56Fe na água dos poros seriam um forte argumento para processos conduzidos microbianamente. No entanto, encontramos valores extremamente baixos de água nos poros de δ56Fe que provavelmente não serão causados ​​apenas pela redução microbiana de Fe. Como a explicação mais provável para este achado, apresentamos um modelo de destilação Rayleigh que inclui a adsorção de Fe(II)aq em superfícies de óxido de Fe (oxi-hidro).