O enigmático ciclo do enxofre do Lago Superior: uma janela para o passado da Terra

O estudo destaca a importância dos compostos orgânicos de enxofre no ciclo biogeoquímico.

A geoquímica Alexandra Phillips tem enxofre em mente. O elemento amarelo é um macronutriente vital e ela está tentando entender como ele circula pelo meio ambiente. Especificamente, ela está curiosa sobre o ciclo do enxofre no antigo oceano da Terra, há cerca de 3 mil milhões de anos.

Felizmente, as águas pobres em nutrientes do Lago Superior oferecem um vislumbre bem-vindo do passado. “É realmente difícil olhar para trás há bilhões de anos”, disse Phillips, ex-pesquisador de pós-doutorado na UC Santa Barbara e na Universidade de Minnesota, Duluth. “Portanto, esta é uma ótima janela.” Ela e seus coautores descobriram um novo tipo de ciclo do enxofre no lago. Suas descobertas, publicadas em Limnologia e Oceanografiaconcentre a atenção no papel que os compostos orgânicos de enxofre desempenham neste ciclo biogeoquímico.

Compreendendo o sulfato e o sulfeto de hidrogênio

O íon sulfato (SO₄) é a forma mais comum de enxofre no meio ambiente e um componente importante da água do mar. No fundo dos oceanos e lagos, onde o oxigênio fica indisponível, alguns micróbios ganham a vida transformando sulfato em sulfeto de hidrogênio (H₂S). O destino deste sulfeto de hidrogênio é complexo; pode ser consumido rapidamente por microrganismos durante a respiração ou pode ficar retido em sedimentos por milhões de anos. Converter sulfato em sulfeto de hidrogênio é uma profissão consagrada; evidências genômicas sugerem que os micróbios fazem isso há pelo menos 3 bilhões de anos.

Mas os cientistas acreditam que o sulfato só se tornou abundante há cerca de 2,7 a 2,4 mil milhões de anos, quando a actividade fotossintética das cianobactérias recentemente evoluídas começou a bombear enormes quantidades de oxigénio para o oceano e a atmosfera. Então, onde esses micróbios antigos obtinham seu sulfato?

Alexandra Phillips é uma cientista marinha e climática com experiência em oceanografia, geoquímica e geobiologia. Sua pesquisa se concentra no enxofre orgânico em oceanos e lagos, bem como em como as mídias sociais podem apresentar diversos modelos para mulheres em STEM. Phillips também atua como comunicador científico e oficial de políticas.

Significado do Enxofre Orgânico

Refletindo sobre esse dilema, Phillips voltou sua atenção para o enxofre orgânico, moléculas nas quais o enxofre está ligado a um composto de carbono. Estes incluem sulfo-lipídios e enxofre aminoácidos. Nos oceanos modernos, o sulfato é quase um milhão de vezes mais abundante que o enxofre orgânico. “Mas num sistema onde não há muito sulfato, de repente o enxofre orgânico é muito mais importante”, disse ela.

“Durante muito tempo, o nosso pensamento foi dominado pelo que poderíamos aprender com os oceanos modernos, que são ricos em sulfatos”, disse o autor principal, Sergei Katsev, professor do Observatório dos Grandes Lagos da Universidade de Minnesota. Katsev atuou como cientista sênior do projeto financiado pela National Science Foundation. “Compreender a Terra primitiva, no entanto, requer olhar para os processos que surgem quando o sulfato é escasso, e é aqui que o enxofre orgânico pode mudar todo o paradigma.”

Lago Superior como modelo para oceanos antigos

Acontece que o Lago Superior tem muito pouco sulfato, quase mil vezes menos que o oceano moderno. “Em termos de sulfato, o Lago Superior parece muito mais próximo do oceano há milhares de milhões de anos e pode ajudar-nos a compreender processos que não podemos voltar no tempo para observar diretamente”, disse Phillips. Os primeiros oceanos tinham muito pouco sulfato porque havia muito menos oxigênio livre disponível para formar SO₄.

O Grande Lago serve como um análogo do antigo oceano, permitindo a Phillips ver como o ciclo do enxofre pode ter funcionado naquela época sob condições químicas semelhantes. Ela tinha três perguntas em mente:

1. Se a redução do sulfato estiver acontecendo, quais micróbios são responsáveis?
2. Se o enxofre orgânico alimenta esse processo, que tipos de compostos os micróbios preferem?
3. E o que acontece com o sulfeto de hidrogênio produzido?

Phillips e seus colaboradores foram ao Lago Superior para rastrear o enxofre orgânico da fonte ao sumidouro. A equipe levou amostras de água e sedimentos de volta ao laboratório para análise em dois locais: um com oxigênio abundante nos sedimentos e outro sem. A redução de sulfato geralmente ocorre em partes anóxicas do ambiente. O oxigênio é um grande recurso, então os organismos preferem usar oxigênio em vez de sulfato quando podem. A equipe usou metagenômica shotgun para procurar micróbios com genes envolvidos na redução de sulfato. E encontraram bastante, precisamente na camada onde os níveis de sulfato atingiram o pico no sedimento. Ao todo, eles identificaram oito táxons redutores de sulfato.

Investigando Preferências de Enxofre Orgânico

Os pesquisadores então partiram para determinar que variedade de enxofre orgânico os micróbios preferiam. Eles forneceram diferentes formas de enxofre orgânico para separar comunidades microbianas e observaram os resultados. Os autores descobriram que os micróbios produziam a maior parte de seu sulfato a partir de sulfolipídios, em vez de aminoácidos sulfurados. Embora esse processo consuma alguma energia, é muito menos do que os micróbios conseguem obter com a subsequente redução do sulfato em sulfeto de hidrogênio.

Os sulfolipídios não só foram os preferidos para esse processo, mas também foram mais abundantes no sedimento. Os sulfolipídios são produzidos por outras comunidades microbianas e vão para o fundo do lago quando morrem.

Com a resposta “quem” e “como”, Phillips voltou sua atenção para o destino do sulfeto de hidrogênio. No oceano moderno, o sulfeto de hidrogênio pode reagir com o ferro para formar pirita. Mas também pode reagir com moléculas orgânicas, produzindo compostos orgânicos de enxofre. “E descobrimos que há uma tonelada de sulfurização de matéria orgânica no lago, o que é realmente surpreendente para nós”, disse ela. “O enxofre orgânico não apenas alimenta o ciclo do enxofre como fonte, mas também é um eventual sumidouro para o sulfeto de hidrogênio.”

O novo ciclo do enxofre

Este ciclo – do enxofre orgânico ao sulfato, ao sulfeto de hidrogênio e vice-versa – é completamente novo para os pesquisadores. “Os cientistas que estudam os sistemas aquáticos precisam começar a pensar no enxofre orgânico como um ator central”, disse Phillips. Esses compostos podem impulsionar o ciclo do enxofre em ambientes pobres em nutrientes, como o Lago Superior, ou mesmo o antigo oceano.

Este processo também pode ser importante em sistemas com alto teor de sulfato. “O ciclo do enxofre orgânico, como o que vemos no Lago Superior, é provavelmente onipresente nos sedimentos marinhos e de água doce. Mas no oceano o sulfato é tão abundante que seu comportamento anula a maioria dos nossos sinais”, disse o autor sênior Morgan Raven, biogeoquímico da UC Santa Barbara. “Trabalhar no Lago Superior com baixo teor de sulfato nos permite ver quão dinâmico é realmente o ciclo do enxofre orgânico sedimentar.” O enxofre orgânico parece servir como fonte de energia para comunidades microbianas, bem como preservar carbono orgânico e fósseis moleculares. Combinados, estes factores poderão ajudar os cientistas a compreender a evolução dos primeiros microrganismos que ciclam o enxofre e o seu impacto na química da Terra.

Algumas das primeiras reações bioquímicas provavelmente envolveram enxofre, acrescentou Phillips. “Temos certeza de que o enxofre desempenhou um papel importante nos metabolismos iniciais.” Uma melhor compreensão do ciclo do enxofre poderia fornecer informações sobre como as primeiras formas de vida aproveitaram este tipo de química redox.