Зона перехода сульфат-метан ( SMTZ ) — это зона в океанах, озерах и реках, обычно находящаяся под поверхностью осадка, в которой сульфат и метан сосуществуют. Образование SMTZ обусловлено диффузией сульфата вниз по осадочной колонне и диффузией метана вверх по осадкам. В SMTZ их профили диффузии встречаются, и сульфат и метан реагируют друг с другом, что позволяет SMTZ содержать уникальное микробное сообщество, основной формой метаболизма которого является анаэробное окисление метана (AOM). Присутствие AOM знаменует переход от диссимиляционного восстановления сульфата к метаногенезу как основному метаболизму, используемому организмами. [1]
SMTZ — это глобальная особенность, которая может встречаться на глубинах от нескольких миллиметров до сотен метров ниже поверхности осадка. [2] Она, как правило, охватывает несколько сантиметров, но может достигать ширины до целого метра. [2] [3] Она характеризуется низкими концентрациями сульфата и метана, поскольку анаэробное окисление метана потребляет обе молекулы. [4]
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 в аэробном дыхании . После того, как весь кислород потребляется, организмы начинают использовать такие субстраты, как нитрат, оксиды марганца и оксиды железа, в качестве акцептора электронов в анаэробном дыхании . Однако эти субстраты, как правило, имеют низкую концентрацию во всех отложениях. С другой стороны, сульфат относительно высок в сравнении, поэтому восстановление сульфата является основной формой дыхания после потребления кислорода. Метаногенез является следующей формой метаболизма после восстановления сульфата, но считалось, что он начинается только тогда, когда весь сульфат в отложениях был восстановлен. [3] Однако в 1977 году Рональд С. Оремланд и Барри Ф. Тейлор обнаружили, что восстановление сульфата и метаногенез могут происходить одновременно в морских отложениях. [5] После этого открытия ненулевая концентрация сульфата и метана была обнаружена в одной и той же зоне в океанической обстановке, что побудило Нильса Айверсона и Бо Баркера Йоргенсона исследовать скорости окисления метана в так называемом «переходе сульфат-метан» в 1985 году. [3] С тех пор было проведено много исследований для отслеживания профилей сульфата и метана выше, в и под SMTZ.
Всем организмам нужен метаболический путь для генерации энергии. В осадочной колонке доминирующий метаболизм, используемый организмами, меняется с глубиной, поскольку меняется доступность различных акцепторов электронов .
После истощения кислорода, нитрата, марганца и железа сульфат становится основным акцептором электронов, используемым в анаэробном дыхании. Метаболизм, связанный с этим, называется диссимиляционной сульфатредукцией (DSR) и осуществляется серовосстанавливающими бактериями , которые широко распространены в бескислородной среде. [6] DSR окисляет органический углерод с использованием сульфата и описывается следующим уравнением:
. [6]
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:
.
Скорость AOM довольно медленная, время оборота для сосуществующих сульфата и метана в океанах варьируется от недель до лет. Эта неэффективность может быть результатом небольшого изменения свободной энергии , связанной с реакцией. Самые высокие скорости AOM обычно над просачиваниями метанового газа. [3] Максимальные скорости AOM обычно совпадают с максимальными скоростями восстановления сульфата. [2] Также было высказано предположение, что метаногены также могут окислять метан до ацетата или углекислого газа, а не только до бикарбоната. [7]
Ниже SMTZ метаногенез является основным метаболизмом после AOM. Метаногены — это организмы, которые производят метан и берут источник углерода, либо углекислый газ, либо органическое вещество, и восстанавливают его до метана посредством следующей реакции:
. [8]
Именно эта реакция приводит к резкому увеличению концентрации метана ниже СПТЗ.
В большинстве случаев сульфат имеет тенденцию к линейному уменьшению глубины, что в основном отражает диффузию сульфата вниз. [2] Эта диффузия является основным источником сульфата для SMTZ. Более резкое снижение сульфата, которое происходит ниже, является результатом микроорганизмов, использующих диссимиляционную сульфатредукцию , которая потребляет сульфат.
Здесь сульфат, диффундирующий вниз, и метан, диффундирующий вверх, совпадают, что приводит к анаэробному окислению метана (AOM). Этот метаболизм использует сульфат и метан в соотношении 1:1 и производит определенные виды углерода (в основном бикарбонат) и сульфид. Именно благодаря AOM концентрации сульфата и метана остаются относительно низкими в пределах SMTZ. [1]
Зоны перехода сульфат-метан имеют различные сигнатуры, помимо внезапного увеличения метана при почти истощенных концентрациях сульфата. В SMTZ ожидаются повышения pH, щелочности, фосфатных и карбонатных скоростей осаждения. Очень важным маркером SMTZ является повышенная концентрация ионов бария (Ba2 + ), что вызвано растворением осадочного барита, BaSO4 . [ 9] SMTZ также частично контролируется количеством органического вещества в отложениях. Более высокие скорости органического осаждения имеют тенденцию поднимать SMTZ выше, поскольку сообщество организмов будет дышать быстрее из-за притока питательных веществ, обеспечиваемых органическим веществом. Это приводит к ускоренному истощению кислорода и других субстратов, используемых для дыхания до сульфата, к верхней части осадочной колонны. Это приведет к восстановлению сульфата и метаногенезу, которые будут происходить выше в осадочной колонне, поднимая SMTZ. Однако прямая корреляция между скоростями осаждения органического вещества и глубиной SMTZ еще не установлена. [2]
Концентрация метана резко увеличивается из-за метаногенеза . Этот микробный метаболизм превращает углекислый газ или органические вещества в метан. Этот регион является источником метана, который затем диффундирует вверх. [3]
Геохимические профили сульфата вокруг SMTZ, в частности, были сильно затронуты артефактами отбора проб, такими как загрязнение морской воды. [10] Это сложная задача, которую еще предстоит решить. Кроме того, было высказано предположение, что AOM не может объяснить весь бюджет углерода 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, могли бы объяснить часть недостающего бюджета углерода. [1]
DSR является преобладающим метаболизмом, поэтому сульфатредуцирующие бактерии в изобилии встречаются выше SMTZ. Примерами сульфатредуцирующих бактерий являются зеленые несерные бактерии , которые являются частью типа Planctomycetes , Gammaproteobacteria , Betaproteobacteria . Сообщество архей также участвует в сульфатредукции выше SMTZ и состоит в основном из членов эвриархеотной морской бентосной группы D. [1]
Группа Deltaproteobacteria , восстанавливающая 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 обнаруженных организмов, которые выполняют AOM, были сульфид-окисляющими бактериями, которые окружали агрегаты метаногенных архейных клеток. [11] AOM в настоящее время в общих чертах характеризуется наличием консорциумов сульфатредуцирующих бактерий, Desulfosarcinales , и метан-поедающих архей, анаэробных метанотрофов (ANME-2). Эти организмы имеют синтрофное взаимодействие. Другие родственные организмы — ANME-1, которые также являются анаэробными метанотрофами, но из другой архейной линии. Как ANME-1, так и ANME-2 являются членами порядка Methnosarcinales . Бактерии, восстанавливающие сульфат, используют источник углерода, такой как углекислый газ и водород, выделяемый метаногенными археями. Партнеры-бактерии не столь специфичны, как археи. Desulfosarcinales более распространены в глобальном масштабе, поэтому до сих пор неизвестно, существует ли конкретная группа бактерий, восстанавливающих сульфат, связанная с AOM. Консорциумы Desulfosarcinales и ANME-2 в настоящее время наблюдаются в нескольких местах, например, вдоль побережья Калифорнии, что предполагает значительное партнерство между микробными группами. [7] Другие распространенные микробные группы, которые потенциально могут определять глобальную сигнатуру, включают Planctomycetes, подразделение-кандидат JS1, Actinobacteria , Crenarchaeota MBGB. [1]
Метаногены, которые в основном принадлежат к домену Archaea , обильны под SMTZ. Зеленые несерные бактерии преобладают, наряду с архейными и бактериальными группами, обнаруженными в SMTZ. Пока еще не было значительной разницы между микробным разнообразием внутри и под SMTZ. [1]
Все еще трудно в общих чертах назвать микробные сообщества, обнаруженные во всех SMTZ, поскольку доминирующие группы определяются экологическими и химическими факторами. Однако было замечено, что богатство видов относительно схоже по всем горизонтам SMTZ, особенно в пределах Deltaproteobacteria . Разнообразие архей и бактерий в SMTZ меняется с глубиной, но бактерии, как правило, имеют более богатое разнообразие, чем археи . [1]
SMTZ является основным поглотителем метана, поскольку AOM потребляет большую часть метана, произведенного метаногенами. [7] Было показано, что AOM поглощает более 90 процентов всего метана, произведенного в океане. [12] Поскольку метан является важным парниковым газом, AOM особенно важен для контроля количества парниковых газов в атмосфере. [13] Кроме того, неорганический углерод, поступающий через SMTZ через AOM, DSR и с метаногенных глубин, вносит значительный вклад в морской неорганический углеродный пул и захоронение углерода в осадках. [14]
Расчеты изотопного баланса массы подразумевают, что сульфатредукция и анаэробное окисление метана могут значительно фракционировать изотопы серы и углерода. [10] Во время сульфатредукции степень фракционирования серы варьируется в зависимости от окружающей среды и скорости восстановления. Более медленные скорости восстановления приводят к более высоким фракционированиям, а концентрация сульфата ниже 1 мМ приводит к более низким фракционированиям. [6] Производство и потребление метана приводит к тому, что археи и бактерии сильно обеднены биомаркерами 13C , в частности липидами. [11] Бактерии и археи, связанные с SMTZ, очень обеднены 13C , причем археи, как правило, более обеднены, чем бактерии. [7] Стабильные изотопы растворенного неорганического углерода (DIC) (δ 13C ) также показывают обедненные сигналы из-за того, что DIC получен из окисления метана.
Изотопы также были основным инструментом для изучения древних SMTZ. Палео-SMTZ изучались с использованием изотопной сигнатуры 34S . Чрезвычайно обедненный 34S пирит образуется из сульфида поровой воды или побочного продукта AOM. Таким образом, обедненные значения серы коррелируют с AOM и предполагают наличие SMTZ. Кроме того, карбонаты в SMTZ могут образовываться из бикарбоната, выделяемого во время AOM, и будут регистрировать обедненные соотношения изотопов 13C , ожидаемые от AOM. [15]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}: |last2=имеет общее название ( помощь )