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Jun 01, 2023

Firme isotopiche del ferro eccezionalmente basse e stabili nei sedimenti marini profondi causate dalla distillazione di Rayleigh

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 10281 (2023) Cita questo articolo 467 Accessi Dettagli metriche Si suggerisce che la riduzione dissimilativa del ferro (DIR) sia una delle prime forme di infezione microbica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10281 (2023) Citare questo articolo

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Si suggerisce che la riduzione dissimilativa del ferro (DIR) sia una delle prime forme di respirazione microbica. Svolge un ruolo importante nel ciclo biogeochimico del ferro nei sedimenti moderni e antichi. Poiché il ciclo microbico del ferro è tipicamente accompagnato dal frazionamento degli isotopi del ferro, gli isotopi stabili del ferro vengono utilizzati come traccianti dell'attività biologica. Qui presentiamo i dati sugli isotopi del ferro per le pozze di ferro sedimentario disciolto ed estratto in sequenza da sedimenti profondi e caldi del fondale sottomarino recuperati nella depressione di Nankai al largo del Giappone. Il ferro disciolto (Fe(II)aq) è isotopicamente leggero in tutto l'intervallo del sedimento ferruginoso, ma alcuni campioni hanno valori isotopici eccezionalmente leggeri. Tali valori di luminosità non sono mai stati riportati in ambienti marini naturali e non possono essere attribuiti esclusivamente al DIR. Mostriamo che i valori degli isotopi leggeri sono meglio spiegati da un modello di distillazione di Rayleigh in cui Fe(II)aq viene continuamente rimosso dall'acqua dei pori mediante adsorbimento su superfici di ossido di ferro (ossiidr). Mentre il rilascio di Fe(II)aq mediato dai microbi è cessato a causa di un aumento della temperatura oltre la soglia dei microrganismi mesofili, la rimozione di Fe(II)aq adsorbente abiotica è continuata, portando a valori isotopici leggeri unici. Questi risultati hanno importanti implicazioni per l’interpretazione dei dati sugli isotopi del ferro disciolto, specialmente nei sedimenti profondi del fondale marino.

Il ferro (Fe), uno degli elementi più abbondanti sulla Terra, è un elemento sensibile al redox che si presenta principalmente come Fe ferroso (II) e ferrico (III). I microrganismi acquisiscono energia riducendo o ossidando il Fe tra gli stati di ossidoriduzione/ossidazione Fe(II) e Fe(III)1. Queste reazioni sono fortemente legate ai cicli degli elementi del carbonio e dello zolfo, imponendo così un importante motore dei cicli biogeochimici globali. La riduzione dissimilativa del Fe(III) (DIR) è tra le prime vie metaboliche microbiche sulla Terra e i microrganismi che riducono il Fe(III) potrebbero essere abitanti chiave della biosfera calda e profonda2,3. La biosfera profonda qui si riferisce ai sedimenti marini a una profondità superiore a 5 m sotto il fondale marino (mbsf) e continua per diverse centinaia o migliaia di metri nel fondale marino4.

Le analisi degli isotopi stabili del ferro sono ampiamente applicate per tracciare e decifrare le fonti di Fe, i percorsi di trasporto e di reazione negli ambienti marini5,6,7,8,9,10. Il rapporto tra i due isotopi Fe più abbondanti (54Fe e 56Fe), comunemente espresso come δ56Fe (‰), può fornire preziose informazioni sul ciclo biogeochimico del Fe e può essere utilizzato come proxy per i processi mediati dai microbi nei sedimenti marini moderni e antichi11, 12,13. Un notevole frazionamento degli isotopi Fe avviene durante i processi redox14,15,16. Il frazionamento più pronunciato fino a −3 ‰ rispetto alla composizione isotopica media delle rocce ignee (δ56Fe = 0,09 ± 0,05 ‰, 1SD rif.17) è causato dallo scambio di elettroni e atomi di Fe accoppiati tra Fe (II) e Fe (III) sulle superfici dell'ossido di Fe durante DIR15,16. Poiché i microbi consumano preferenzialmente 54Fe rispetto a 56Fe, il rispettivo Fe disciolto (Fe(II)aq) è isotopicamente leggero mentre il Fe(III) residuo si arricchisce progressivamente in 56Fe5,16,18 isotopicamente pesante. Gli isotopi del ferro si frazionano anche durante i processi abiotici, compreso l'adsorbimento di Fe(II)aq su superfici minerali (adsorbimento preferenziale di 56Fe isotopicamente pesante)15,16,19 o la precipitazione di minerali Fe (il frazionamento dipende dal fatto che la reazione sia controllata cineticamente o in equilibrio)14,20,21,22. Sebbene diversi studi si siano concentrati sul frazionamento degli isotopi del Fe durante la diagenesi precoce in sedimenti superficiali (< 5 mbsf)6,18,23, finora non esistono registrazioni isotopiche per il Fe disciolto nei sedimenti profondi del sottosuolo (> 5 mbsf).

Qui, indaghiamo su campioni di acqua interstiziale e di fase solida che sono stati raccolti durante la spedizione 370 dell'International Ocean Discovery Program (IODP) da un foro profondo 1180 m (sito C0023) perforato nel Nankai Trough al largo di Capo Muroto, in Giappone. Temperature fino a 120 °C all'interfaccia sedimento-basamento e un elevato flusso di calore caratterizzano il sito C0023 (rif.24). Lo scopo della spedizione era esplorare il limite di temperatura della vita microbica e identificare le firme geochimiche e microbiche che differenziano il regno biotico e quello abiotico25. Il Fe disciolto è stato rilevato prevalentemente in un intervallo caratterizzato da elevate quantità di strati di cenere vulcanica (Fig. 1a)25, suggerendo che la cenere vulcanica fornisce minerali riducibili che stimolano la riduzione del Fe microbico e il rilascio di Fe (II) aq. Per valutare il ruolo degli strati di cenere e la disponibilità di fasi Fe per i processi biogeochimici nella biosfera calda e profonda, abbiamo eseguito estrazioni sequenziali di fasi Fe reattive su campioni discreti di cenere vulcanica e roccia fangosa circostante18,26. Poiché i sedimenti nel sito C0023 sono già consolidati25, di seguito utilizzeremo il termine "roccia fangosa". Combinando le analisi δ56Fe dell'acqua interstiziale e del Fe estratto, un altro obiettivo era quello di decifrare se la composizione isotopica del Fe in fase solida disciolto e reattivo fosse indicativa della riduzione del Fe microbico. Abbiamo ipotizzato che valori negativi di δ56Fe nell’acqua interstiziale sarebbero un forte argomento a favore dei processi guidati dai microbi. Tuttavia, troviamo valori estremamente bassi di δ56Fe nell’acqua interstiziale che difficilmente possono essere causati dalla sola riduzione del Fe microbico. Come spiegazione più probabile per questa scoperta, presentiamo un modello di distillazione di Rayleigh che include l'adsorbimento di Fe(II)aq su superfici di Fe (ossiidr)ossido.