苏必利尔湖的研究揭示了硫在地球古老的海洋中是如何循环的

汪雨甘捍

苏必利尔湖硫酸盐含量低的水域可以为地球早期海洋的生物化学提供洞见。信用:亚历山德拉菲利普斯

（）据加州大学圣巴巴拉分校（哈里森·塔索夫）：地球化学家亚历山德拉·菲利普斯对硫磺念念不忘。黄色元素是一种重要的常量营养元素，她试图了解它是如何在环境中循环的。具体来说，她对大约30亿年前地球古老海洋中的硫循环很好奇。

幸运的是，营养不良的苏必利尔湖为我们提供了一个很好的回顾过去的机会。“真的很难回溯几十亿年，”菲利普斯说，他是加州大学圣巴巴拉分校和明尼苏达大学德卢斯分校的前博士后研究员。“所以这是一个很好的窗口。”她和她的合作者在湖中发现了一种新的硫循环。他们的发现发表在《湖沼学和海洋学》上，集中关注有机硫化合物在这个生物地球化学循环中的作用。

硫酸根离子(SO4)是环境中最常见的硫形式，也是海水的主要成分。在海洋和湖泊的底部，氧气变得不可用，一些微生物通过将硫酸盐转化为硫化氢来生存(H2S)。

这种硫化氢的命运很复杂；它可以在呼吸过程中被微生物迅速消耗，也可以在沉积物中保留数百万年。将硫酸盐转化为硫化氢是一个历史悠久的职业；基因组证据表明，微生物已经这样做了至少30亿年。

但科学家认为，硫酸盐直到大约27至24亿年前才变得丰富，当时新进化的蓝藻的光合活动开始向海洋和大气中注入大量氧气。那么这些古老的微生物是从哪里获得硫酸盐的呢？

考虑到这一困境，菲利普斯将注意力转向有机硫，即硫与碳化合物结合的分子。这些包括硫脂和含硫氨基酸。在现代海洋中，硫酸盐的含量几乎是有机硫的一百万倍。“但是在一个没有太多硫酸盐的系统中，有机硫突然变得非常重要，”她说。

“很长一段时间，我们的思维被我们能从富含硫酸盐的现代海洋中学到的东西所主导，”资深作者、明尼苏达大学大湖天文台教授谢尔盖·卡采夫说。卡采夫担任该项目的高级科学家。“然而，要了解早期地球，需要观察硫酸盐稀缺时出现的过程，这就是有机硫可以改变整个范式的地方。”

恰好苏必利尔湖含有很少的硫酸盐，比现代海洋少近一千倍。菲利普斯说:“就硫酸盐而言，苏必利尔湖看起来更接近数十亿年前的海洋，可能有助于我们理解我们无法直接观察的过程。”早期的海洋几乎没有硫酸盐，因为形成SO4的游离氧少得多。

五大湖是古代海洋的模拟，使菲利普斯能够看到硫循环在类似的化学条件下是如何进行的。她心里有三个问题:

1.如果硫酸盐还原正在发生，是哪些微生物造成的？

2.如果有机硫推动了这一过程，那么微生物更喜欢什么类型的化合物呢？

3.那么，产生的硫化氢会怎么样呢？

菲利普斯和她的合作者前往苏必利尔湖，从源头到汇追踪有机硫。该小组从两个地点将水和沉积物样本带回实验室进行分析:一个地点沉积物中含有大量氧气，另一个地点没有。硫酸盐还原通常发生在环境的缺氧部分。氧气是一种很好的资源，所以如果可能的话，生物更喜欢使用氧气而不是硫酸盐。该团队使用鸟枪法宏基因组学来寻找具有参与硫酸盐还原的基因的微生物。他们发现了大量的硫酸盐，就在沉积物中硫酸盐含量最高的那一层。总之，他们确定了八个硫酸盐还原分类群。

然后，研究人员开始确定微生物更喜欢哪种有机硫。他们给不同形式的有机硫来分离微生物群落，并观察结果。作者发现微生物从硫脂中产生大部分硫酸盐，而不是含硫氨基酸。虽然这个过程需要一些能量，但这比微生物从随后的硫酸盐还原成硫化氢中获得的能量要少得多。

硫脂不仅是这一过程的首选，它们在沉积物中也更丰富。硫脂是由其他微生物群落产生的，它们死亡后会漂到湖底。

随着“谁”和“如何”的回答，菲利普斯把她的注意力转向硫化氢的命运。在现代海洋中，硫化氢可以与铁反应生成黄铁矿。但它也能与有机分子反应，生成有机硫化合物。“我们发现湖中有大量的有机物硫化，这真的让我们很惊讶，”她说。“有机硫不仅是硫循环的一个来源，而且也是硫化氢的最终汇。”

这个循环——从有机硫到硫酸盐再到硫化氢，然后再回来——对研究人员来说是全新的。“研究水生系统的科学家需要开始考虑有机硫是一个核心因素，”菲利普斯说。这些化合物可以在营养缺乏的环境中驱动硫循环，如苏必利尔湖，甚至是古老的海洋。

这个过程在含高硫酸盐的系统中也很重要。“有机硫循环，就像我们在苏必利尔湖看到的那样，可能在海洋和淡水沉积物中普遍存在。但在海洋中硫酸盐是如此丰富，以至于它的行为淹没了我们的大多数信号，”资深作者摩根·雷文说，他是加州大学圣巴巴拉分校的生物地球化学家。"在硫酸盐含量低的苏必利尔湖工作让我们看到了沉积有机硫循环到底有多活跃."

有机硫似乎是微生物群落的能量来源，也能保存有机碳和分子化石。结合起来，这些因素可以帮助科学家理解早期硫循环微生物的进化及其对地球化学的影响。

菲利普斯补充说，一些最早的生化反应可能与硫有关。"我们非常确定硫在早期新陈代谢中扮演了重要的角色."更好地理解硫循环可以让我们了解早期生命是如何利用这种氧化还原化学的。