La geoquímica Alexandra Phillips tiene debilidad por el azufre. Este elemento amarillo es un macronutriente importante y ella está tratando de comprender cómo se recicla en el medio ambiente. Específicamente, siente curiosidad por el ciclo del azufre en los antiguos océanos de la Tierra hace unos 3 mil millones de años.
Un estudio del ciclo del azufre del Lago Superior que imitaba los antiguos océanos de la Tierra ha revelado un nuevo ciclo del azufre que enfatiza el papel del azufre orgánico. El descubrimiento profundiza nuestra comprensión de la química de la Tierra primitiva y la evolución de la vida microbiana.
Afortunadamente, las aguas pobres en nutrientes del lago Superior nos ofrecen una mirada al pasado. Phillips, ex investigador postdoctoral de la Universidad de California en Santa Bárbara y de la Universidad de Minnesota Duluth, dijo que ésta es una buena ventana. Ella y sus coautores descubrieron un nuevo tipo de ciclo del azufre en el lago. Sus hallazgos, publicados en la revista Limnology and Oceanography, se centran en el papel de los compuestos organosulfurados en este ciclo biogeoquímico.
Aprenda sobre los sulfatos y el sulfuro de hidrógeno.
Los iones sulfato (SO4) son la forma más común de azufre en el medio ambiente y son un componente importante del agua de mar. En el fondo de los océanos y lagos, donde el oxígeno es escaso, algunos microorganismos se ganan la vida convirtiendo el sulfato en sulfuro de hidrógeno (H2S). El destino del sulfuro de hidrógeno es complejo: los microorganismos pueden consumirlo rápidamente durante la respiración o puede permanecer en los sedimentos durante millones de años. Convertir sulfato en sulfuro de hidrógeno es una ocupación tradicional; La evidencia genómica sugiere que los microorganismos comenzaron a hacer esto hace al menos 3 mil millones de años.
Pero los científicos creen que los sulfatos no se hicieron abundantes hasta hace unos 2.700 millones a 2.400 millones de años, cuando la fotosíntesis realizada por cianobacterias recién evolucionadas comenzó a transportar grandes cantidades de oxígeno a los océanos y la atmósfera. Entonces, ¿de dónde obtuvieron estos antiguos microbios sus sulfatos?
Alexandra Phillips es una científica marina y climática con experiencia en oceanografía, geoquímica y geobiología. Su investigación se centra en el organosulfuro en océanos y lagos y en cómo las redes sociales pueden crear diversos modelos a seguir para las mujeres en los campos STEM. Phillips también es comunicador científico y funcionario político.
El significado del azufre orgánico.
Para resolver este problema, Phillips recurrió al organoazufre, moléculas en las que el azufre está unido a compuestos de carbono. Estas moléculas incluyen sulfátidas y aminoácidos que contienen azufre. En los océanos modernos, los sulfatos son casi un millón de veces más abundantes que el azufre orgánico. "Pero en un sistema que no tiene muchos sulfatos, de repente el azufre orgánico se vuelve mucho más importante", dijo.
"Durante mucho tiempo, nuestro pensamiento ha estado dominado por lo que aprendimos de los océanos modernos, que son ricos en sulfatos", dijo el autor principal Sergei Katsev, profesor del Observatorio de los Grandes Lagos de la Universidad de Minnesota. Katsev es un científico senior del proyecto financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. Sin embargo, comprender la Tierra primitiva requiere estudiar los procesos que ocurrieron cuando los sulfatos eran escasos, y aquí es donde el organoazufre puede cambiar todo el paradigma.
Modelos de océanos antiguos.
El lago Superior tiene niveles de sulfato muy bajos, casi una milésima parte de los de los océanos modernos. "En términos de sulfatos, el Lago Superior parece mucho más cercano a los océanos de hace miles de millones de años, lo que potencialmente nos ayuda a comprender procesos que no podemos retroceder en el tiempo para observar directamente", dijo Phillips. "Los primeros océanos tenían un contenido de sulfato muy bajo porque había mucho menos oxígeno libre disponible para formar dióxido de azufre".
Los Grandes Lagos son análogos de los océanos antiguos, lo que le permitió a Phillips ver cómo habría funcionado el ciclo del azufre en condiciones químicas similares en ese momento. Le vinieron a la mente tres preguntas:
Si se produce reducción de sulfato, ¿qué microorganismos son responsables?
Si el organoazufre alimenta este proceso, ¿qué tipos de compuestos prefieren los microorganismos?
¿Qué sucede con el sulfuro de hidrógeno producido?
Phillips y sus colaboradores viajaron al Lago Superior para rastrear el viaje del azufre orgánico desde la fuente hasta el sumidero. El equipo trajo muestras de agua y sedimentos de dos sitios al laboratorio para su análisis: un sitio tenía mucho oxígeno en el sedimento, el otro no. La reducción de sulfato generalmente ocurre donde el ambiente es anóxico. El oxígeno es un buen recurso, por lo que los organismos prefieren utilizar oxígeno en lugar de sulfato cuando sea posible. El equipo utilizó metagenómica de escopeta para encontrar microbios con genes implicados en la reducción de sulfato. Encontraron abundantes microorganismos en capas de sedimentos donde los niveles de sulfato alcanzaron su punto máximo. En total, encontraron ocho taxones reductores de sulfato.
Investigación de las preferencias de organoazufre
Luego, los investigadores se propusieron determinar qué especies de organosulfuro preferían los microbios. Proporcionaron a diferentes comunidades microbianas diferentes formas de azufre orgánico y observaron los resultados. Los autores descubrieron que la mayor parte del sulfato producido por los microbios procedía de lípidos de azufre en lugar de aminoácidos de azufre. Si bien este proceso requiere algo de energía, es mucho menos de la que los microbios obtendrían al reducir posteriormente el sulfato a sulfuro de hidrógeno.
Los lípidos de azufre no sólo son los preferidos para este proceso, sino que también son más abundantes en los sedimentos. Los lípidos de azufre son producidos por otras comunidades microbianas y flotan hasta el fondo del lago cuando mueren.
Después de responder las preguntas de "quién" y "cómo", Phillips centró su atención en el destino del sulfuro de hidrógeno. En los océanos modernos, el sulfuro de hidrógeno puede reaccionar con el hierro para formar pirita. Pero también puede reaccionar con moléculas orgánicas para formar compuestos organosulfurados. "Nos sorprendió descubrir que había mucha sulfuración de la materia orgánica en el lago", dijo. "El azufre orgánico no sólo es un refuerzo para el ciclo del azufre, sino que también es el sumidero definitivo del sulfuro de hidrógeno".
Nuevo ciclo del azufre
Este ciclo, del azufre orgánico al sulfato y al sulfuro de hidrógeno, era nuevo para los investigadores. "Los científicos que estudian los sistemas acuáticos deben empezar a considerar el azufre orgánico como un actor central", afirmó Phillips. "Estos compuestos podrían impulsar el ciclo del azufre en ambientes pobres en nutrientes como el Lago Superior e incluso en océanos antiguos".
"Este proceso también puede ser importante en sistemas con mayor contenido de sulfato. Los ciclos orgánicos del azufre, como el que vemos en el Lago Superior, pueden ser omnipresentes en los sedimentos marinos y de agua dulce. Pero en el océano, el sulfato es tan abundante que su comportamiento enmascara gran parte de nuestra señal", dijo el autor principal Morgan Raven, biogeoquímico de la Universidad de California, Santa Bárbara. "Trabajar en el lago Superior con bajo contenido de sulfato nos permitió ver la verdadera dinámica del ciclo sedimentario del azufre orgánico. El azufre orgánico parece servir como fuente de energía para las comunidades microbianas y preservar el carbono orgánico y los fósiles moleculares. Combinados, estos factores pueden ayudar a los científicos a comprender la evolución de los primeros microorganismos del ciclo del azufre y su impacto en la geoquímica".
Phillips añade que algunas de las primeras reacciones bioquímicas probablemente involucraron azufre. "Estamos convencidos de que el azufre jugó un papel importante en el metabolismo verdaderamente temprano. Una mejor comprensión del ciclo del azufre puede proporcionar información sobre cómo las primeras formas de vida explotaron esta química redox".