对苏必利尔湖的研究揭示了硫在地球古代海洋中如何循环

地球化学家亚历山德拉·菲利普斯 (Alexandra Phillips) 脑子里满是硫磺。黄色元素是一种重要的常量营养素，她正试图了解它如何在环境中循环。具体来说，她对大约 30 亿年前地球古老海洋中的硫循环感到好奇。

幸运的是，苏必利尔湖营养贫乏的水域让我们可以一睹过去的风采。“回顾数十亿年前真的很难，”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菲利普斯说。“所以这是一个很棒的窗口。” 她和她的合著者在湖中发现了一种新型的硫循环。他们的研究结果发表在 《湖泊学和海洋学》上，重点关注有机硫化合物在生物地球化学循环中发挥的作用。

硫酸根离子 (SO 4 ) 是环境中最常见的硫形式，也是海水的主要成分。在无法获得氧气的海洋和湖泊底部，一些微生物通过将硫酸盐转化为硫化氢 (H 2 S) 来谋生。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项历史悠久的职业;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，直到大约 2.7 至 24 亿年前，当新进化的蓝细菌的光合作用开始向海洋和大气中泵入大量氧气时，硫酸盐才变得丰富。那么这些古老的微生物从哪里获取硫酸盐呢?

亚历山德拉·菲利普斯 (Alexandra Phillips) 是一位海洋和气候科学家，拥有海洋学、地球化学和地球生物学方面的专业知识。她的研究重点是海洋和湖泊中的有机硫，以及社交媒体如何为 STEM 领域的女性展示不同的角色模型。菲利普斯还担任科学传播者和政策官员。

考虑到这个困境，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。这些包括磺基脂质和硫氨基酸。在现代海洋中，硫酸盐的含量几乎是有机硫的一百万倍。“但在一个硫酸盐含量不多的系统中，有机硫突然变得更加重要，”她说。

“很长一段时间以来，我们的想法主要集中在我们可以从富含硫酸盐的现代海洋中学到什么，”明尼苏达大学大湖天文台教授、资深作者谢尔盖·卡采夫(Sergei Katsev)说。卡采夫担任美国国家科学基金会资助项目的高级科学家。“然而，了解早期地球需要研究硫酸盐稀缺时出现的过程，而这正是有机硫可以改变整个范式的地方。”

碰巧的是，苏必利尔湖的硫酸盐含量非常少，比现代海洋的硫酸盐含量少了近千分之一。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，这可能有助于我们了解无法及时返回直接观察的过程。” 早期海洋中的硫酸盐含量非常少，因为可用于形成 SO 4的游离氧要少得多。

这个大湖是古代海洋的类比，使菲利普斯能够了解当时在类似的化学作用下硫循环是如何进行的。她心中浮现出三个问题：

如果发生硫酸盐还原，哪些微生物负责?

如果有机硫为这一过程提供燃料，那么微生物更喜欢什么类型的化合物?

而且，产生的硫化氢会怎样?

菲利普斯和她的合作者前往苏必利尔湖追踪有机硫从源头到汇的过程。研究小组从两个地点将水和沉积物样本带回实验室进行分析：一个地点的沉积物中含有充足的氧气，另一个地点的沉积物中没有充足的氧气。硫酸盐还原通常发生在环境缺氧的地方。氧气是一种很好的资源，因此生物体在可能的情况下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，而且恰好在沉积物中硫酸盐含量达到峰值的层中。他们总共鉴定出了八种硫酸盐还原类群。

然后研究人员开始确定微生物喜欢哪种有机硫。他们给予不同形式的有机硫来分离微生物群落并观察结果。作者发现微生物的大部分硫酸盐是由磺基脂质而不是含硫氨基酸产生的。尽管这个过程需要一些能量，但它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。

磺基脂质不仅是该过程的首选，而且沉积物中的含量也更丰富。磺基脂质是由其他微生物群落产生的，当它们死亡时会漂到湖底。

回答了“谁”和“如何”后，菲利普斯将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形成黄铁矿。但它也可以与有机分子反应，产生有机硫化合物。“我们发现湖中存在大量的有机物硫化物，这确实让我们感到惊讶，”她说。“有机硫不仅作为硫循环的一个来源，而且也是硫化氢的最终汇。”

这种从有机硫到硫酸盐再到硫化氢并返回的循环对于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作为核心角色，”菲利普斯说。这些化合物可以在苏必利尔湖甚至古代海洋等营养贫乏的环境中驱动硫循环。

该过程对于硫酸盐含量高的系统也可能很重要。“有机硫循环，就像我们在苏必利尔湖中看到的那样，可能在海洋和淡水沉积物中普遍存在。但海洋中的硫酸盐含量如此丰富，以至于它的行为淹没了我们的大部分信号，”资深作者 、加州大学圣巴巴拉分校的生物地球化学家摩根·雷文(Morgan Raven)说。“在低硫酸盐的苏必利尔湖工作让我们看到了沉积有机硫循环的真正动态。” 有机硫似乎可以作为微生物群落的能源，并保存有机碳和分子化石。综合起来，这些因素可以帮助科学家了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涉及硫。“我们非常确定硫在早期新陈代谢中发挥了重要作用。” 更好地了解硫循环可以提供有关早期生命形式如何利用这种氧化还原化学的见解。