Gevonden in sieraden, auto onderdelen, pigmenten, en industriële chemische reacties, het metaalchroom en zijn verbindingen worden vaak gebruikt vanwege hun kleur, finish, en anticorrosieve en katalytische eigenschappen. Momenteel, geowetenschappers en paleoceanografen van MIT en de Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) willen een ander gebruik aan die lijst toevoegen:als een manier om chemische verschuivingen in de oude oceanen en atmosfeer van de aarde te onderzoeken die bewaard zijn gebleven in het paleorecord van de zeebodem. Specifieker, ze willen stijgende atmosferische zuurstofniveaus reconstrueren, die ongeveer 2,4 miljard jaar geleden begon, en hun effect op de zeeën. Omdat biologie en het milieu nauw met elkaar verweven zijn, deze informatie zou kunnen helpen verlichten hoe het leven en het klimaat op aarde evolueerden.

Hoewel onderzoekers chroom op grote schaal hebben toegepast als een hulpmiddel om het rockrecord rond deze wereldwijde overgang te begrijpen, ze zijn nog aan het uitzoeken wat verschillende chemische signalen betekenen. Dit geldt met name voor het evalueren van oceaansedimenten, die zou kunnen onthullen waar en wanneer zuurstof begon binnen te dringen en werd gevormd in de oceanen. Echter, paleowetenschappers hebben grotendeels geen begrip gehad van hoe sporenhoeveelheden chroom mechanistisch op elkaar inwerken en circuleren in moderne, zuurstofrijke zeeën, laat staan ​​de vroege oceanen - een belangrijk onderdeel dat nodig is voor elke interpretatie - tot nu toe.

Onderzoek onlangs gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences en geleid door MIT-Woods Hole Oceanographic Institution Joint Program student Tianyi Huang onderzocht de belofte van het sporenmetaal als een paleoproxy voor zuurstof. Voor deze, het team volgde hoe zuurstofgevoelige chroomisotopen circuleerden en hoe ze chemisch werden geoxideerd of gereduceerd in een zuurstofarm stuk water in de tropische Stille Oceaan, een analoog voor vroege, anaërobe zeeën. Hun bevindingen helpen bij het valideren van chroomtracking als een betrouwbaar instrument in de geologische toolbox.

"Mensen hebben gezien dat chroomisotopen in de geologische archieven de zuurstofniveaus in de lucht volgen. Maar, omdat je iets gebruikt dat in de sedimenten is begraven om te interpreteren wat er in de atmosfeer gebeurt, er is een ontbrekende schakel tussen, en dat is de oceaan, " zegt Huang. Verder, "hoe die chroomcycli onze interpretaties van geologische gegevens kunnen veranderen."

"De evolutie van zuurstof op aarde is alleen op een grove manier bekend, maar het is cruciaal voor de ontwikkeling en overleving van complex meercellig leven, " zegt Ed Boyle, hoogleraar oceaangeochemie van MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS); MIT-WHOI gezamenlijke programmadirecteur; en studeer co-auteur, samen met Simone Moos Ph.D. '18 van de Elementaire Corporation. "In aanvulling, er is aanhoudende bezorgdheid over de dalende oceanische zuurstofniveaus in de oceaan de afgelopen decennia, en we hebben hulpmiddelen nodig om de zuurstofdynamiek van de oceaan beter te begrijpen."

Een kloof overbruggen

Miljarden jaren geleden, toen de aarde en zijn atmosfeer in wezen verstoken waren van moleculaire zuurstof (O2), chemische reacties en biologische metabolismes zouden hebben plaatsgevonden in een chemisch gereduceerde, anaërobe omgeving. Tijdens het Grote Oxidatie-evenement, die zich in de loop van miljoenen jaren hebben voorgedaan, zuurstofniveaus stegen over de hele planeet, en het leven veranderde dienovereenkomstig. Verder, de omgeving werd grotendeels een geoxideerde omgeving die worstelde met stressprocessen zoals roesten en vrije radicalen.

Enig bewijs heeft aangetoond dat chemische reacties met chroom dit proces volgen, door effecten op zijn isotopen, chroom-52 en chroom-53, en hun oxidatietoestanden, in de eerste plaats de driewaardige, gereduceerde vorm Cr (III) en een zeswaardige, geoxideerd één Cr (VI). Dit laatste komt vaker voor in zuurstofrijke, oppervlaktewater en wordt beschouwd als een gevaar voor de gezondheid en het milieu. Eerdere studies hebben aangetoond dat de bovenste oceaan meer van de zwaardere isotoop heeft dan de lichtere, wat wijst op een preferentiële opname door mariene micro-organismen. Het probleem, Huang merkt op, is dat nadat chroom vanuit rivieren in de oceanen is gekomen, wetenschappers weten niet echt de mechanismen achter deze waarnemingen en of de trends consistent zijn. In de huidige zuurstofarme wateren, ze zegt, "chroom kan mogelijk worden verminderd, en we willen het isotoopsignaal weten van dat en andere chroomprocessen die een isotoopvingerafdruk kunnen achterlaten."

Om deze verschijnselen te onderzoeken, Huang nam deel aan twee onderzoekscruises naar de zuurstofarme zone (ODZ) van de oostelijke tropische Noord-Stille Oceaan en verzamelde verticale profielen van zeewatermonsters tot 3, 500 meter van over een transect van de zee. Sommige van deze zeewatermonsters werden bevroren om te worden geanalyseerd op concentraties van driewaardig en zeswaardig chroom. Na te zijn teruggestuurd naar het lab, deze monsters werden ontdooid en gezuiverd. Het team analyseerde de isotopensamenstelling van de Cr(III)-monsters. Vervolgens verzuurden ze de Cr (VI) -monsters om ze om te zetten in Cr (III) voordat ze dezelfde isotopenanalyse als voorheen uitvoerden. De onderzoekers hebben ook het totale chroom in de monsters gemeten om eventuele chemische transformaties of migratie binnen de ODZ te kunnen verklaren. Met de toevoeging van gegevens van een andere cruise, Boyle, Moos, en Huang onderzochten de fractie van elke isotoop over het dieptebereik, vergeleken met een gemiddelde partitie, om te zien of er een verrijking was in een bepaald gebied van de ODZ en in welke oxidatietoestand het bestond. Ze brachten dit in kaart met de zuurstofniveaus van de monsters en plaatsten de resultaten in de context van bekende oceaankenmerken om te helpen verklaren hoe chroom fietst.

Een grondwaarheid voor chroom fietsen

De oceanografen vonden een patroon. in oppervlakte, zuurstofrijke oceaan, zeswaardig chroom werd verbruikt, waarschijnlijk door microbieel leven, en dieper getransporteerd, in de ODZ. Rond de 200 meter, het metaal begon zich op te hopen in het zeewater, en de lichtere isotoop, chroom-52, werd bij voorkeur verlaagd. Deze diepte valt toevallig samen met anaërobe, denitrificerende microben die nitriet produceren. Huang zegt dat dit een teken kan zijn dat stikstof- en chroomcycli met elkaar verstrengeld zijn, maar dat sluit andere biotische of abiotische mechanismen niet uit, zoals reductie door ijzer, die van invloed kunnen zijn op oceaansedimentrecords.

Chroom blijft hier niet eeuwig hangen, Hoewel. Hoewel uit gegevens bleek dat het meeste ervan in de zuurstofarme zone bleef, die zich uitstrekt van 90 tot 800 meter, voor ongeveer 20-50 jaar, een klein deel ervan bevestigd aan zinkende deeltjes, zonk in de diepe oceaan waar meer opgeloste zuurstof is, en later terug geoxideerd tot zeswaardig chroom. Hier, het zou kunnen beginnen met het opnemen van en de interactie met sedimenten.

"Ik denk dat het opwindend is dat we de soort chroom [oxidatie] kunnen bepalen, en van daaruit we kunnen de isotopenfractionering berekenen, "zegt Huang. "Niemand heeft dat eerder op deze manier gedaan."

Hun werk, Huang zegt, helpt bij het valideren van chroom als een indicator van verschillende redox-omgevingen. "We zien dit signaal en het verdwijnt niet." Verder, het lijkt consistent over de seizoenen. Echter, het team is nog niet overtuigd. Ze zijn van plan dit te testen in andere zuurstofarme zones over de hele wereld om te zien of een vergelijkbare chroomsignatuur opduikt, evenals de samenstelling van de zinkende deeltjes die het driewaardige chroom dragen en het oppervlak van oceaansedimenten onderzoeken, om een ​​completer beeld te krijgen van de betrokkenheid van de oceaan.

Voor nu, ze raden af ​​om conclusies te trekken, maar zijn voorzichtig optimistisch over het potentieel ervan. "Ik denk dat mensen deze proxy met meer voorzichtigheid moeten interpreteren, " zegt Huang. "Het is misschien niet puur de atmosferische zuurstof die de meting bepaalt, maar er kunnen andere [biotische of abiotische] processen in de oceaan zijn die hun paleorecords zouden kunnen veranderen." ze stellen voor om niet te veel in de chroomsignalen in de paleorecord te lezen, nog.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.