Зона перехода сульфат-метан ( SMTZ ) - это зона в океанах, озерах и реках, расположенных ниже поверхности отложений, в которой сосуществуют сульфат и метан. Формирование SMTZ обусловлено диффузией сульфата вниз по столбу отложений и диффузией метана вверх по осадкам. В SMTZ их диффузионные профили встречаются, и сульфат и метан реагируют друг с другом, что позволяет SMTZ укрывать уникальное микробное сообщество, основной формой метаболизма которого является анаэробное окисление метана (AOM). Присутствие АОМ знаменует переход от диссимиляционного восстановления сульфата к метаногенезу как основному метаболизму, используемому организмами. [1]
SMTZ - это глобальная особенность, которая может возникать на глубинах от нескольких миллиметров до сотен метров ниже поверхности отложений. [2] Обычно он достигает нескольких сантиметров, но может достигать и целого метра. [2] [3] Он характеризуется низкими концентрациями сульфата и метана, потому что анаэробное окисление метана потребляет обе молекулы. [4]
История
Ранее считалось, что метан и сульфат не могут сосуществовать из-за установленной иерархии метаболизма в отложениях. В хорошо насыщенных кислородом отложениях кислород является основным акцептором электронов при аэробном дыхании . Как только весь кислород потребляется, организмы начинают использовать субстраты, такие как нитраты, оксиды марганца и оксиды железа, в качестве акцепторов электронов при анаэробном дыхании . Однако эти субстраты обычно имеют низкие концентрации в отложениях. С другой стороны, по сравнению с ними относительно много сульфатов, поэтому восстановление сульфатов является основной формой дыхания после потребления кислорода. Метаногенез - это следующая форма метаболизма после восстановления сульфата, но считалось, что он начинается только тогда, когда весь сульфат в отложениях восстанавливается. [3] Однако в 1977 году Рональд С. Оремланд и Барри Ф. Тейлор обнаружили, что сульфатредукция и метаногенез могут происходить одновременно в морских отложениях . [5] После этого открытия ненулевые концентрации сульфата и метана были обнаружены в одной и той же зоне в океане, что побудило Нильса Айверсона и Бо Баркера Йоргенсона исследовать скорость окисления метана в так называемом «переходе сульфат-метан» в 1985. [3] С тех пор было проведено множество исследований для отслеживания профилей сульфатов и метана над, внутри и под SMTZ.
Метаболические процессы
Всем организмам необходим метаболический путь для выработки энергии. В осадочной колонке основной метаболизм, используемый организмами, изменяется с глубиной, поскольку изменяется доступность различных акцепторов электронов .
Над СМТЗ
После того, как кислород, нитраты, марганцы и железо истощаются, сульфат является основным акцептором электронов, используемым в анаэробном дыхании. Связанный с этим метаболизм - диссимиляционное восстановление сульфата (DSR) - осуществляется сероредуцирующими бактериями , которые широко распространены в бескислородной среде. [6] DSR окисляет органический углерод с помощью сульфата и описывается следующим уравнением:
. [6]
В пределах СМТЗ
Основной метаболизм - анаэробное окисление метана (АОМ). АОМ использует сульфат для окисления метана в бикарбонат и образует сероводород в качестве побочного продукта и описывается следующим уравнением:
.
Также было высказано предположение, что метаногены могут также окислять метан до ацетата или двуокиси углерода, а не только до бикарбоната. [7]
Скорость АОМ довольно низкая, время оборота сосуществующих сульфата и метана в океанах колеблется от недель до лет. Эта неэффективность может быть результатом небольшого изменения свободной энергии, связанного с реакцией. Наибольшая скорость АОМ обычно наблюдается при просачивании метанового газа. [3] Максимальные скорости АОМ обычно совпадают с максимальными скоростями восстановления сульфата. [2]
Ниже СМТЗ
Ниже SMTZ метаногенез является основным метаболизмом после AOM. Метаногены - это организмы, которые производят метан и принимают источник углерода, либо диоксид углерода, либо органическое вещество, и восстанавливают его до метана посредством следующей реакции:
. [8]
Именно эта реакция приводит к резкому увеличению концентраций метана ниже SMTZ.
Геохимия
Над СМТЗ
В большинстве случаев сульфат имеет тенденцию линейно уменьшать глубину, что в основном отражает диффузию сульфата вниз. [2] Эта диффузия является основным источником сульфата для SMTZ. Более резкое снижение содержания сульфата, которое происходит дальше вниз, является результатом того, что микроорганизмы используют диссимиляционное восстановление сульфата , которое потребляет сульфат.
В пределах СМТЗ
Здесь диффузия сульфата вниз и диффузия метана вверх совпадают, что приводит к анаэробному окислению метана (АОМ). Этот метаболизм принимает сульфат и метан в соотношении 1: 1 и производит определенные виды углерода (в основном бикарбонат) и сульфид. Именно благодаря АОМ концентрации сульфатов и метана остаются относительно низкими в пределах SMTZ. [1]
Зоны перехода сульфат-метан имеют различные признаки помимо внезапного увеличения содержания метана при почти истощенных концентрациях сульфата. На SMTZ ожидаются повышения уровня pH, щелочности, фосфатного и карбонатного осаждения. Очень важным маркером SMTZ является повышенная концентрация иона бария (Ba 2+ ), которая вызвана растворением осадочного барита BaSO 4 . [9] SMTZ также частично контролируется количеством органического вещества в отложениях. Более высокие скорости осаждения органических веществ имеют тенденцию повышать SMTZ, поскольку сообщество организмов будет дышать быстрее из-за притока питательных веществ, обеспечиваемых органическими веществами. Это приводит к ускоренному истощению кислорода и других субстратов, используемых для дыхания, до образования сульфата в верхней части осадка. Это приведет к тому, что сульфатредукция и метаногенез будут происходить выше в толще осадка, поднимая SMTZ. Тем не менее, прямая корреляция между скоростью осаждения органического вещества и глубиной SMTZ еще не установлена. [2]
Ниже СМТЗ
Наблюдается резкое увеличение концентрации метана за счет метаногенеза . Этот микробный метаболизм превращает углекислый газ или органические вещества в метан. Этот регион является источником метана, который затем диффундирует вверх. [3]
В частности, на геохимические профили сульфатов вокруг СМТЗ сильно повлияли артефакты отбора проб, такие как загрязнение морской воды. [10] Это трудная задача, которую еще предстоит преодолеть. Кроме того, было высказано предположение, что АОМ не может учитывать весь углеродный баланс и изотопные вариации, обнаруженные в SMTZ и, возможно,. Вместо этого такие процессы, как реминерализация органического углерода , когда органический углерод преобразуется в более мелкие органические соединения или неорганические соединения, могут составлять часть недостающего углеродного бюджета. [1]
Микробиология
Над СМТЗ
DSR является преобладающим метаболизмом, поэтому сульфатредуцирующие бактерии распространены выше SMTZ. Примерами сульфатредуцирующих бактерий являются зеленые несодержащие серы бактерии, которые являются частью типа Planctomycetes , Gammaproteobacteria , Betaproteobacteria . Сообщество архей также участвует в сульфатредукции над SMTZ и состоит в основном из представителей морской бентосной группы Euryarchaeotal D. [1]
В пределах СМТЗ
Группа дельтапротеобактерий , восстанавливающих сульфат, составляет большую часть бактериального сообщества. [1] Обнаруженные метанокисляющие археи (ANME) принадлежат к двум из трех филогенетических групп, ANME-1 и ANME-2. [1] Некоторые из первых организмов, которые выполняют АОМ, были сульфидокисляющими бактериями, которые окружали агрегаты метаногенных архейных клеток. [11] АОМ в настоящее время в общих чертах характеризуется присутствием сульфатредуцирующих бактерий Desulfosarcinales и архей, поедающих метан, анаэробных метанотрофов (ANME-2), консорциумов. Эти организмы имеют синтрофическое взаимодействие. Другими родственными организмами являются ANME-1, которые также являются анаэробными метанотрофами, но принадлежат к другому архейному происхождению. И ANME-1, и ANME-2 являются членами отряда Methnosarcinales . Сульфатредуцирующие бактерии используют такие источники углерода, как углекислый газ, и водород, выделяемый метаногенными археями. Партнерские бактерии не так специфичны, как археи. Десульфосарцины более широко распространены во всем мире, поэтому до сих пор неизвестно, существует ли конкретная группа сульфатредуцирующих бактерий, связанных с АОМ. Desulfosarcinales и ANME-2 консорциумов сейчас наблюдается в нескольких местах , как вдоль побережья Калифорнии, что предполагает значительное сотрудничество между группами микроорганизмов. [7] Другие общие группы микробов, которые потенциально могут определять глобальную сигнатуру, включают Planctomycetes, подразделение-кандидат JS1, Actinobacteria , Crenarchaeota MBGB. [1]
Ниже СМТЗ
Метаногены, которые в основном принадлежат домену Archaea , широко распространены под SMTZ. Преобладают зеленые несернистые бактерии, наряду с архейными и бактериальными группами, обнаруженными в пределах SMTZ. Еще не было существенной разницы между микробным разнообразием внутри и под SMTZ. [1]
По-прежнему сложно дать общее название микробным сообществам, присутствующим во всех СМТЗ, поскольку доминирующие группы определяются экологическими и химическими факторами. Однако было замечено, что богатство видов относительно одинаково по горизонтам SMTZ, особенно внутри Deltaproteobacteria . Разнообразие архей и бактерий в SMTZ меняется с глубиной, но бактерии, как правило, имеют более богатое разнообразие, чем археи . [1]
Воздействие на глобальный углеродный цикл
SMTZ является основным поглотителем метана, потому что AOM потребляет в основном весь метан, производимый метаногенами. [7] Было показано, что АОМ поглощает более 90 процентов всего метана, производимого в океане. [12] Поскольку метан является одним из основных парниковых газов, АОМ особенно важен для контроля количества парниковых газов в атмосфере. [13] Кроме того, неорганический углерод, поступающий через SMTZ через AOM, DSR и из метаногенных глубин, вносит значительный вклад в морской резервуар неорганического углерода и захоронение углерода в осадках. [14]
Изотопы
Расчеты изотопного баланса массы предполагают, что восстановление сульфата и анаэробное окисление метана могут фракционировать серу. [10] Во время сульфатредукции степень фракционирования серы варьируется в зависимости от окружающей среды и скорости восстановления. Более медленные скорости восстановления приводят к более высокому фракционированию, а концентрация сульфата ниже 1 мМ приводит к более низкому фракционированию. [6] Производство и потребление метана приводит к тому, что архей и бактерии сильно обеднены биомаркерами 13 C, особенно липидами. [11] Бактерии и археи, связанные с SMTZ, очень обеднены 13 C, причем археи обычно более обеднены, чем бактерии. [7]
Изотопы также были основным инструментом для изучения древних SMTZ. Палео-SMTZ были изучены с использованием изотопной сигнатуры 34 S. Пирит, обедненный по 34 S, образуется из сульфида поровой воды или побочного продукта АОМ. Таким образом, значения обедненной серы коррелируют с АОМ и предполагают наличие SMTZ. Кроме того, карбонаты внутри SMTZ могут образовываться из бикарбоната, высвобождаемого во время AOM, и будут регистрировать обедненные изотопные отношения 13 C, ожидаемые от AOM. [15]
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h я Харрисон, Бенджамин К .; Чжан, Хусень; Берельсон, Уилл; Сирота, Виктория Дж. (15 марта 2009 г.). «Вариации в разнообразии архей и бактерий, связанные с переходной зоной сульфат-метан в континентальных окраинных отложениях (бассейн Санта-Барбара, Калифорния)» . Прикладная и экологическая микробиология . 75 (6): 1487–1499. DOI : 10,1128 / AEM.01812-08 . ISSN 0099-2240 . PMC 2655439 . PMID 19139232 .
- ^ а б в г д Йоргенсен, Бо Баркер; Вебер, Андреас; Зопфи, Якоб (2001-08-01). «Сульфатредукция и анаэробное окисление метана в отложениях Черного моря». Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers . 48 (9): 2097–2120. DOI : 10.1016 / S0967-0637 (01) 00007-3 . ISSN 0967-0637 .
- ^ а б в г д Иверсен, Нильс; Йоргенсен, Бо Баркер (сентябрь 1985 г.). «Скорости анаэробного окисления метана при сульфатно-метановом переходе в морских отложениях Каттегата и Скагеррака (Дания) 1» . Лимнология и океанография . 30 (5): 944–955. DOI : 10,4319 / lo.1985.30.5.0944 . ISSN 0024-3590 .
- ^ Бхатнагар, Гаурав; Чепмен, Уолтер Дж .; Диккенс, Джеральд Р .; Дуган, Брэндон; Хирасаки, Джордж Дж. (2008-02-08). «Сульфат-метановый переход как показатель средней насыщенности гидратом метана в морских отложениях» . Письма о геофизических исследованиях . 35 (3). DOI : 10.1029 / 2007gl032500 . ISSN 0094-8276 .
- ^ Oremland, Ronald S .; Тейлор, Барри Ф. (февраль 1978 г.). «Сульфатредукция и метаногенез в морских отложениях». Geochimica et Cosmochimica Acta . 42 (2): 209–214. DOI : 10.1016 / 0016-7037 (78) 90133-3 . ISSN 0016-7037 .
- ^ а б в Кэнфилд, Делавэр (2001-01-01). «Биогеохимия изотопов серы». Обзоры по минералогии и геохимии . 43 (1): 607–636. DOI : 10.2138 / gsrmg.43.1.607 . ISSN 1529-6466 .
- ^ а б в г Сирота, VJ; Hinrichs, K.-U .; Ussler, W .; Паулл, СК; Тейлор, LT; Сылва, ИП; Hayes, JM; Делонг, EF (2001-04-01). «Сравнительный анализ метанокисляющих архей и сульфатредуцирующих бактерий в аноксических морских отложениях» . Прикладная и экологическая микробиология . 67 (4): 1922–1934. DOI : 10,1128 / AEM.67.4.1922-1934.2001 . ISSN 0099-2240 . PMC 92814 . PMID 11282650 .
- ^ Thauer, Rudolf K .; Хеддерих, Райнер; Фишер, Райнхард (1993), "Реакция и ферменты , участвующая в Метаногенезе от CO2 и H2", Метаногенез , Спрингер США, стр 209-252,. DOI : 10.1007 / 978-1-4615-2391-8_5 , ISBN 9781461360131
- ^ Ученые Яир Розенталь; Энн Э. Холборн; Дениз К. Кульханек; и Экспедиция 363 (2017-02-08). Предварительный отчет экспедиции 363 Международной программы открытия океана . Научный проспект Международной программы открытия океана. Международная программа открытия океана. DOI : 10.14379 / iodp.pr.363.2017 .
- ^ а б Бруннер, Бенджамин; Арнольд, Гейл Л .; Рой, Ганс; Мюллер, Иниго А .; Йоргенсен, Бо Б. (2016). «Запрещено: сульфат ниже уровня перехода сульфат-метан» . Границы наук о Земле . 4 . DOI : 10.3389 / feart.2016.00075 . ISSN 2296-6463 .
- ^ а б Боэтиус, Антье; Равеншлаг, Катрин; Schubert, Carsten J .; Рикерт, Дирк; Виддел, Фридрих; Гизеке, Армин; Аманн, Рудольф; Йоргенсен, Бо Баркер; Витте, Урсула (2005-10-05). «Консорциум морских микробов, по-видимому, опосредующий анаэробное окисление метана». Природа . 407 (6804): 623–626. DOI : 10.1038 / 35036572 . ISSN 0028-0836 . PMID 11034209 .
- ^ Hinrichs, K.-U .; Боэтиус, А. (2002). Системы окраин океана . Шпрингер, Берлин, Гейдельберг. С. 457–477. DOI : 10.1007 / 978-3-662-05127-6_28 . ISBN 9783642078729.
- ^ Ллойд, Карен Г .; Лэпхэм, Лаура; Теске, Андреас (01.11.2006). «Анаэробное метанокисляющее сообщество архей ANME-1b в гиперсоленых отложениях Мексиканского залива» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (11): 7218–7230. DOI : 10,1128 / AEM.00886-06 . ISSN 0099-2240 . PMC 1636178 . PMID 16980428 .
- ^ Akam, Sajjad A .; Гроб, Ричард; Абудлла, Хуссейн; Лайонс, Тимоти (2020). «Насос для растворенного неорганического углерода в мелководных морских отложениях, наполненных метаном: современное состояние и перспективы новых моделей» . Границы морских наук . 7 (206). DOI : 10.3389 / fmars.2020.00206 . ISSN 2296-7745 .
- ^ Пекети, А .; Мазумдар, автор-корреспондент А .; Джоши, РК; Патил, диджей; Шринивас, Польша; Дайал, AM (октябрь 2012 г.). «Отслеживание переходных зон Палеосульфат-метан и событий просачивания H2S в морских отложениях: применение систематики CS-Mo» (PDF) . Геохимия, геофизика, геосистемы . 13 (10): н / д. DOI : 10.1029 / 2012gc004288 . ISSN 1525-2027 .