Encontrado en joyería, piezas de automóvil, pigmentos, y reacciones químicas industriales, el cromo metálico y sus compuestos se emplean a menudo por su color, terminar, y propiedades anticorrosivas y catalíticas. En la actualidad, Los geocientíficos y paleocenógrafos del MIT y la Institución Oceanográfica Woods Hole (WHOI) están buscando agregar otro uso a esa lista:como una forma de examinar los cambios químicos en los océanos y la atmósfera de la Tierra antigua que se conservan en el paleoregistro del fondo marino. Más específicamente, quieren reconstruir los niveles crecientes de oxígeno atmosférico, que comenzó hace unos 2.400 millones de años, y su efecto en los mares. Dado que la biología y el medio ambiente están íntimamente entrelazados, esta información podría ayudar a esclarecer cómo evolucionó la vida y el clima de la Tierra.

Si bien los investigadores han aplicado ampliamente el cromo como una herramienta para comprender el registro de rocas en torno a esta transición global, todavía están averiguando qué significan las diferentes señales químicas. Esto es especialmente cierto para evaluar sedimentos oceánicos, que podría revelar dónde y cuándo el oxígeno comenzó a penetrar y se estaba formando en los océanos. Sin embargo, Los paleocientíficos han carecido en gran medida de una comprensión de cómo las trazas de cromo interactúan mecánicamente y se ciclan en la moderna, mares oxigenados, y mucho menos los primeros océanos, un componente clave necesario para cualquier interpretación, hasta ahora.

Investigación publicada recientemente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias y dirigido por el estudiante graduado del Programa Conjunto de la Institución Oceanográfica MIT-Woods Hole, Tianyi Huang, investigó la promesa del metal traza como paleoproxi para el oxígeno. Para esto, El equipo rastreó cómo circulaban los isótopos de cromo sensibles al oxígeno y cómo se oxidaban o reducían químicamente dentro de un parche de agua con deficiencia de oxígeno en el Océano Pacífico tropical. un análogo para temprano, mares anaeróbicos. Sus hallazgos ayudan a validar el rastreo de cromo como un instrumento confiable en la caja de herramientas de geología.

"La gente ha visto que los isótopos de cromo en los registros geológicos rastrean los niveles de oxígeno atmosférico. Pero, porque estás usando algo que está enterrado en los sedimentos para interpretar lo que está sucediendo en la atmósfera, hay un eslabón perdido en el medio y ese es el océano, "dice Huang. Además, "cómo esos ciclos del cromo podrían cambiar nuestras interpretaciones de los registros geológicos".

"La evolución del oxígeno en la Tierra solo se conoce de manera burda, pero es crucial para el desarrollo y la supervivencia de la vida multicelular compleja, "dice Ed Boyle, profesor de geoquímica oceánica del Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS); Director del Programa Conjunto MIT-WHOI; y coautor del estudio, junto con Simone Moos Ph.D. '18 de la Corporación Elementar. "Además, existe una preocupación constante por las últimas décadas de disminución de los niveles de oxígeno oceánico en el océano, y necesitamos herramientas para comprender mejor la dinámica del oxígeno del océano ".

Cerrando una brecha

Hace miles de millones de años, cuando la Tierra y su atmósfera estaban esencialmente desprovistas de oxígeno molecular (O2), reacciones químicas y metabolismos biológicos se habrían producido de forma químicamente reducida, ambiente anaeróbico. Durante el Gran Evento de Oxidación, que ocurrió en el transcurso de millones de años, los niveles de oxígeno aumentaron en todo el planeta, y la vida cambió en consecuencia. Más lejos, el medio ambiente se volvió en gran parte oxidado que lidiaba con procesos de estrés como la oxidación y los radicales libres.

Alguna evidencia ha demostrado que las reacciones químicas que involucran al cromo siguen este proceso, a través de los efectos sobre sus isótopos, cromo-52 y cromo-53, y sus estados de oxidación, principalmente el trivalente, forma reducida de Cr (III) y un hexavalente, oxidado un Cr (VI). Este último es más probable que se encuentre en compuestos oxigenados, agua de mar superficial y se considera un peligro para la salud y el medio ambiente. Estudios anteriores han demostrado que la parte superior del océano tiende a tener más isótopos más pesados ​​que los más ligeros. sugiriendo cierta absorción preferencial por microorganismos marinos. El problema, Huang señala, es que después de que el cromo ingresa a los océanos desde los ríos, los científicos no conocen realmente los mecanismos detrás de estas observaciones y si las tendencias son consistentes. En las aguas deficientes en oxígeno de hoy, ella dice, "el cromo podría potencialmente reducirse, y queremos conocer la señal isotópica de ese y otros procesos del cromo que podrían dejar una huella isotópica ".

Para investigar estos fenómenos, Huang se unió a dos cruceros de investigación a la zona de deficiencia de oxígeno (ODZ) del Océano Pacífico Norte tropical oriental y recopiló perfiles verticales de muestras de agua de mar hasta 3, 500 metros al otro lado de un transecto de mar. Algunas de estas muestras de agua de mar se congelaron para analizar las concentraciones de cromo trivalente y hexavalente. Después de ser enviado de regreso al laboratorio, estas muestras se descongelaron y purificaron. El equipo analizó la composición isotópica de las muestras de Cr (III). Luego acidificaron las muestras de Cr (VI) para convertirlas en Cr (III) antes de realizar el mismo análisis de isótopos que antes. Los investigadores también midieron el cromo total en las muestras para poder tener en cuenta cualquier transformación química o migración dentro de la ODZ. Con la adición de datos de otro crucero, Boyle, Moos, y Huang examinó la fracción de cada isótopo en el rango de profundidad, en comparación con una partición promedio, para ver si hubo algún enriquecimiento en un área particular de la ODZ y en qué estado de oxidación existía. Lo compararon con los niveles de oxígeno de las muestras y pusieron los resultados en el contexto de características oceánicas conocidas para ayudar a explicar cómo el cromo está ciclando.

Una verdad fundamental para el ciclo del cromo

Los oceanógrafos encontraron un patrón. En superficie, océano oxigenado, se consumió cromo hexavalente, probablemente por vida microbiana, y transportado más profundo, en la ODZ. Alrededor de la marca de los 200 metros, el metal comenzó a acumularse en el agua de mar, y el isótopo más ligero, cromo-52, se redujo preferentemente. Esta profundidad coincide con anaeróbica, microbios desnitrificantes que producen nitrito. Huang dice que esto podría ser una señal de que los ciclos del nitrógeno y el cromo están entrelazados, pero eso no descarta otros mecanismos bióticos o abióticos, como reducción por hierro, que podría estar afectando los registros de sedimentos oceánicos.

El cromo no permanece aquí para siempre aunque. Si bien los datos mostraron que la mayor parte permaneció en la zona deficiente en oxígeno, que se extiende de 90 a 800 metros, durante unos 20-50 años, una pequeña porción adherida a partículas que se hunden, se hundió en las profundidades del océano donde hay más oxígeno disuelto, y luego se oxida de nuevo a cromo hexavalente. Aquí, podría comenzar a incorporarse e interactuar con los sedimentos.

"Creo que es emocionante que podamos determinar las especies de cromo [oxidación], y de eso, podríamos calcular su fraccionamiento de isótopos, ", dice Huang." Nadie ha hecho eso de esta manera antes ".

Su trabajo, Huang dice:ayuda a validar el cromo como indicador de diferentes entornos redox. "Estamos viendo esta señal y no se está desvaneciendo". Más lejos, parece consistente a lo largo de las estaciones. Sin embargo, el equipo aún no está convencido. Planean probar esto en otras zonas con deficiencia de oxígeno en todo el mundo para ver si aparece una firma de cromo similar. así como investigar la composición de las partículas que se hunden y transportan el cromo trivalente y la superficie de los sedimentos oceánicos, para obtener una imagen más completa de la participación del océano.

Por ahora, desaconsejan sacar conclusiones, pero son cautelosamente optimistas acerca de su potencial. "Creo que la gente debe interpretar este proxy con más precaución, ", dice Huang." Puede que no sea puramente el oxígeno atmosférico lo que determina la medición, pero podría haber otros procesos [bióticos o abióticos] en el océano que podrían alterar sus paleoregistros ". sugieren no leer demasiado las señales de cromo en el paleoregistro, todavía.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.