Gammelt atmosfærisk iltsøg med havkrom

Findes i smykker, bil dele, pigmenter, og industrielle kemiske reaktioner, metallet chrom og dets forbindelser bruges ofte på grund af deres farve, Afslut, og anti-korrosive og katalytiske egenskaber. I øjeblikket, geovidenskabsmænd og palæoceanografer fra MIT og Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) søger at tilføje en anden anvendelse til denne liste:som en måde at undersøge kemiske skift i oldtidens Jords oceaner og atmosfære, der er bevaret i havbundens paleorecord. Mere specifikt, de ønsker at rekonstruere stigende atmosfæriske iltniveauer, som begyndte for omkring 2,4 milliarder år siden, og deres virkning på havene. Da biologi og miljø er tæt forbundne, denne information kunne hjælpe med at belyse, hvordan jordens liv og klima udviklede sig.

Mens forskere i vid udstrækning har anvendt chrom som et værktøj til at forstå rockrekorden omkring denne globale overgang, de er stadig ved at finde ud af, hvad forskellige kemiske signaler betyder. Dette gælder især for evaluering af havsedimenter, som kunne afsløre, hvor og hvornår ilt begyndte at trænge ind og blev dannet i havene. Imidlertid, palæovidenskabsmænd har stort set manglet en forståelse af, hvordan spormængder af chrom mekanistisk interagerer og cykler i moderne, iltede hav, endsige de tidlige oceaner - en nøglekomponent, der er nødvendig for enhver fortolkning - indtil nu.

Forskning for nylig offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences og ledet af MIT-Woods Hole Oceanographic Institution Joint Program kandidatstuderende Tianyi Huang undersøgte spormetallets løfte som en palæoproxy for ilt. For det, holdet sporede, hvordan iltfølsomme chromisotoper cirkulerede, og hvordan de blev kemisk oxideret eller reduceret inden for et iltmangelfuldt vandområde i det tropiske Stillehav, en analog til tidlig, anaerobe hav. Deres resultater hjælper med at validere chromsporing som et pålideligt instrument i geologisk værktøjskasse.

"Folk har set, at chromisotoper i de geologiske optegnelser på en måde sporer de atmosfæriske iltniveauer. Men, fordi du bruger noget, der er begravet i sedimenterne til at fortolke, hvad der sker i atmosfæren, der er et manglende led imellem, og det er havet, " siger Huang. Yderligere, "hvordan chromcyklusserne kan ændre vores fortolkninger af geologiske optegnelser."

"Udviklingen af ​​ilt på Jorden er kun kendt på en grov måde, men det er afgørende for udviklingen og overlevelsen af ​​komplekst flercellet liv, " siger Ed Boyle, professor i oceangeokemi ved MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS); MIT-WHOI Joint Program Director; og studie medforfatter, sammen med Simone Moos Ph.D. '18 fra Elementar Corporation. "Ud over, der er vedvarende bekymring over de sidste par årtiers faldende oceaniske iltniveauer i havet, og vi har brug for værktøjer til bedre at forstå havets iltdynamik."

At bygge bro over et hul

For milliarder af år siden, da Jorden og dens atmosfære stort set var blottet for molekylær oxygen (O2), kemiske reaktioner og biologiske metabolisme ville have fundet sted i en kemisk reduceret, anaerobt miljø. Under den store oxidationsbegivenhed, som fandt sted i løbet af millioner af år, iltniveauet steg over hele planeten, og livet skiftede derefter. Yderligere, miljøet blev stort set et oxideret miljø, der kæmpede med stressprocesser som rust og frie radikaler.

Nogle beviser har vist, at kemiske reaktioner, der involverer chrom, sporer denne proces, gennem virkninger på dets isotoper, chrom-52 og chrom-53, og deres oxidationstilstande, primært det trivalente, reduceret form Cr (III) og en hexavalent, oxideret en Cr (VI). Sidstnævnte findes mere sandsynligt i iltet, overfladehavvand og betragtes som en sundheds- og miljøfare. Tidligere undersøgelser har vist, at det øvre hav har en tendens til at have mere af den tungere isotop end den lettere, hvilket tyder på en vis præferenceoptagelse af marine mikroorganismer. Problemet, Huang bemærker, er, at efter at krom kommer ind i havene fra floder, videnskabsmænd kender ikke rigtig mekanismerne bag disse observationer, og om tendenserne er konsistente. I nutidens iltfattige farvande, hun siger, "chrom kan potentielt reduceres, og vi ønsker at kende isotopsignalet for det og andre kromprocesser, der kan efterlade et isotopfingeraftryk."

For at undersøge disse fænomener, Huang sluttede sig til to forskningstogter til det østlige tropiske nordlige Stillehavs iltmangelzone (ODZ) og samlede lodrette profiler af havvandsprøver ned til 3, 500 meter fra tværs af et hav. Nogle af disse havvandsprøver blev frosset for at blive analyseret for koncentrationer af trivalent og hexavalent chrom. Efter at være blevet sendt tilbage til laboratoriet, disse prøver blev optøet og oprenset. Holdet analyserede isotopsammensætningen af ​​Cr(III)-prøverne. De syrnede derefter Cr(VI)-prøverne for at omdanne dem til Cr(III) før de udførte den samme isotopanalyse som før. Forskerne målte også det samlede chrom i prøverne for at kunne redegøre for eventuelle kemiske transformationer eller migration inden for ODZ. Med tilføjelse af data fra et andet krydstogt, Boyle, Moos, og Huang undersøgte fraktionen af ​​hver isotop over dybdeområdet, sammenlignet med en gennemsnitlig partitionering, for at se, om der var nogen berigelse i et bestemt område af ODZ, og hvilken oxidationstilstand den eksisterede i. De kortlagde dette mod prøvernes iltniveauer og satte resultaterne i sammenhæng med kendte havtræk for at hjælpe med at forklare, hvordan krom kredser.

En grundsandhed for chromcykling

Oceanograferne fandt et mønster. I overfladen, iltet hav, hexavalent chrom blev forbrugt, sandsynligvis af mikrobielt liv, og transporteret dybere, ind i ODZ. Omkring 200 meter mærket, metallet begyndte at samle sig i havvandet, og den lettere isotop, krom-52, blev fortrinsvis reduceret. Denne dybde falder tilfældigvis sammen med anaerob, denitrificerende mikrober, der producerer nitrit. Huang siger, at dette kunne være et tegn på, at nitrogen- og kromkredsløb er viklet ind, men det udelukker ikke andre biotiske eller abiotiske mekanismer, som reduktion med jern, som kunne påvirke havsedimentregistreringer.

Chrom bliver ikke hængende her for evigt, selvom. Mens data viste, at det meste af det forblev i iltmangelzone, som strækker sig fra 90 til 800 meter, i omkring 20-50 år, en lille del af det fastgjort til synkende partikler, sank ned i det dybe hav, hvor der er mere opløst ilt, og senere oxideret tilbage til hexavalent chrom. Her, det kunne begynde at inkorporere og interagere med sedimenter.

"Jeg synes, det er spændende, at vi kunne bestemme chrom [oxidations] arten, og ud fra det, vi kunne beregne dens isotopfraktionering, " siger Huang. "Ingen har gjort det på denne måde før."

Deres arbejde, Huang siger, hjælper med at validere chrom som en indikator for forskellige redoxmiljøer. "Vi ser dette signal, og det forsvinder ikke." Yderligere, det virker konsekvent over sæsonerne. Imidlertid, holdet er ikke overbevist endnu. De planlægger at teste dette i andre iltfattige zoner rundt om i verden for at se, om en lignende kromsignatur dukker op, samt undersøge sammensætningen af ​​de synkende partikler, der bærer det trivalente krom, og overfladen af ​​havsedimenter, for at få et mere fuldstændigt billede af havets involvering.

For nu, de fraråder at drage konklusioner, men er forsigtigt optimistiske med hensyn til dets potentiale. "Jeg tror, ​​folk skal fortolke denne proxy med mere forsigtighed, " siger Huang. "Det er måske ikke udelukkende den atmosfæriske ilt, der bestemmer målingen, men der kan være andre [biotiske eller abiotiske] processer i havet, der kan ændre deres palæorekorder." Så, de foreslår ikke at læse for meget ind i kromsignalerne i paleorecorden, endnu.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.