El azufre en los océanos podría revelar el pasado de la Tierra, según un estudio

El ciclo del azufre en el antiguo océano de la Tierra se produce desde hace unos 3 mil millones de años. El ion sulfato (SO4 ) es la forma más común de azufre en el medio ambiente y un componente importante del agua de mar. En el fondo de los océanos y lagos, donde el oxígeno deja de estar disponible, algunos microbios se ganan la vida convirtiendo el sulfato en sulfuro de hidrógeno (H2S).

El destino de este sulfuro de hidrógeno es complejo; puede ser consumido rápidamente por microorganismos durante la respiración o puede quedar retenido en los sedimentos durante millones de años. Convertir sulfato en sulfuro de hidrógeno es una profesión consagrada; La evidencia genómica sugiere que los microbios lo han estado haciendo durante al menos 3 mil millones de años.

Pero los científicos creen que el sulfato no se hizo abundante hasta hace entre 2.700 y 2.400 millones de años, cuando la actividad fotosintética de las cianobacterias recién evolucionadas comenzó a bombear cantidades masivas de oxígeno al océano y a la atmósfera. Entonces, ¿de dónde obtenían su sulfato estos antiguos microbios?

La geoquímica Alexandra Phillips, especialista del Departamento de Ciencias de la Tierra en la Universidad de California, ha estado estudiando este elemento amarillo por décadas, interesada en este macronutriente vital, tratando de comprender cómo circula por el medio ambiente. Específicamente, siente curiosidad por el ciclo que llevó adelante desde los orígenes del planeta.

Afortunadamente, las aguas pobres en nutrientes del lago Superior en California, ofrecen una aceptable mirada al pasado. “Es realmente difícil mirar hacia atrás miles de millones de años -dijo Phillips, ex investigadora postdoctoral en la Universidad de Minnesota en Duluth-. Así que ésta es una gran ventana”.

Ella y su colegas acaban de publicar una nueva investigación donde señalan que han descubierto un nuevo tipo de ciclo del azufre en el lago. Sus hallazgos aparecen en Limnology and Oceanography y centran la atención en el papel que desempeñan los compuestos orgánicos de azufre en este ciclo biogeoquímico.

Trabajando sobre el dilema del ciclo del azufre, Phillips centró su atención en el compuesto orgánico, moléculas en las que el azufre está unido al carbono. Incluyen sulfolípidos y aminoácidos azufrados. En el océano moderno, el sulfato es casi un millón de veces más abundante que el azufre orgánico. “Pero en un sistema donde no hay mucho sulfato, de repente el azufre orgánico importa mucho más”, explicó Phillips.

“Durante mucho tiempo, nuestro pensamiento estuvo dominado por lo que podíamos aprender de los océanos modernos, que son ricos en sulfatos -añadió el autor principal Sergei Katsev, profesor del Observatorio de los Grandes Lagos de la Universidad de Minnesota. Katsev fue uno de los científicos principales del proyecto-. Sin embargo, comprender la Tierra primitiva requiere observar los procesos que surgen cuando el sulfato es escaso, y aquí es donde el azufre orgánico puede cambiar todo el paradigma”.

Ciclos milenarios

Da la casualidad de que el Lago Superior tiene muy poco sulfato, casi mil veces menos que el océano moderno. “En estos términos parece mucho más cercano al océano hace miles de millones de años y puede ayudarnos a comprender procesos que no podemos retroceder en el tiempo para observar directamente”, indicó Phillips. Los primeros océanos tenían muy poco sulfato porque había mucho menos oxígeno libre disponible para formar SO4.

El gran lago sirve como análogo del antiguo océano, lo que le permite a Phillips ver cómo el ciclo del azufre pudo haberse desarrollado en aquel entonces bajo químicas similares.

El equipo llevó muestras de agua y sedimentos al laboratorio para su análisis desde dos sitios: uno con abundante oxígeno en el sedimento y otro sin él. La reducción de sulfato generalmente ocurre en partes anóxicas del ambiente. El oxígeno es un gran recurso, por lo que los organismos prefieren utilizarlo en lugar de sulfato cuando pueden. El equipo utilizó metagenómica de escopeta para buscar microbios con genes implicados en la reducción de sulfato.

Y encontraron muchos, precisamente en la capa donde los niveles de sulfato alcanzaron su punto máximo en el sedimento. En total, identificaron ocho taxones reductores de sulfato.

Luego, se propusieron determinar qué variedad de azufre orgánico preferían los microbios. Le dieron diferentes formas para separar las comunidades microbianas y observaron los resultados. Descubrieron que los microbios producían la mayor parte de su sulfato a partir de sulfolípidos, en lugar de aminoácidos azufrados. Aunque este proceso requiere algo de energía, es mucho menos de la que los microbios pueden obtener de la posterior reducción del sulfato a sulfuro de hidrógeno.

Los sulfolípidos, producidos por otras comunidades microbianas, flotan hacia el fondo del lago cuando mueren, no sólo eran los preferidos para este proceso, sino que también eran más abundantes en el sedimento.

Luego de estos hallazgos, Phillips centró su atención en el destino del sulfuro de hidrógeno. En el océano moderno, esta variable puede reaccionar con el hierro para formar pirita. Pero también puede hacerlo con moléculas orgánicas, produciendo compuestos orgánicos de azufre. “Descubrimos que hay una tonelada de materia orgánica sulfurada en el lago, lo cual nos sorprende mucho afirmó la especialista-. El azufre orgánico no sólo es una fuente de combustible para el ciclo del azufre, sino que también es un eventual sumidero para el sulfuro de hidrógeno”.

Este ciclo del azufre orgánico al sulfato, al sulfuro de hidrógeno y viceversa, es completamente nuevo para los investigadores. “Los científicos que estudian los sistemas acuáticos deben empezar a pensar en el azufre orgánico como un actor central”, dijo Phillips. Estos compuestos pueden impulsar el ciclo del azufre en ambientes pobres en nutrientes como el Lago Superior o incluso el antiguo océano.

Este proceso también puede ser importante en sistemas con alto contenido de sulfato. “El ciclo orgánico del azufre, como lo que vemos en el Lago Superior, es probablemente omnipresente en los sedimentos marinos y de agua dulce. Pero en el océano el sulfato es tan abundante que su comportamiento anula la mayoría de nuestras señales -explicó el autor principal Morgan Raven, biogeoquímico de Universidad de California-. “Trabajar en el lago Superior con bajo contenido de sulfato nos permite ver cuán dinámico es realmente el ciclo orgánico sedimentario”.

El compuesto parece servir como fuente de energía para las comunidades microbianas, además de preservar el carbono orgánico y los fósiles moleculares. Combinados, estos factores podrían ayudar a los científicos a comprender la evolución de los primeros microorganismos del ciclo del azufre y su impacto en la química de la Tierra.