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Isotopic Signatures of Sulfur Cycling Organism Physiology and Ecology

Description du projet

Décryptage de la composition multi-isotopique des matériaux soufrés

De nombreuses bactéries jouent un rôle dans le cycle du soufre via ce que l’on appelle des métabolismes sulfato-réducteurs, notamment la réduction du sulfate, l’oxydation réduite du soufre et la dismutation du soufre. La discrimination des isotopes du soufre et de l’oxygène au cours de cette activité métabolique est modulée par la diagenèse (processus physiques et (bio)chimiques qui altèrent les sédiments) avant d’être préservée dans les roches sédimentaires. La composition multi-isotopique de ces roches code des informations précieuses sur l’activité microbienne, les conditions environnementales et les cycles élémentaires. Le projet ISoSCOPE, financé par le CER, vise à améliorer l’interprétation de ces informations codées grâce à une meilleure compréhension du fractionnement des isotopes métaboliques et des impacts de la diagenèse sur sa préservation. Les modèles métaboliques-isotopiques seront intégrés à des modèles d’écosystèmes et les résultats seront comparés aux expériences microfluidiques et aux données environnementales.

Objectif

Dissimilatory S metabolisms impart large S and O isotope fractionations, which are modulated by a suite of (bio)chemical reactions and physical processes (i.e. diagenesis) and ultimately preserved in the reduced and oxidized products of sedimentary S cycling (e.g. pyrite, carbonate-associated sulfate). The multi-isotope composition of such compounds encodes valuable information about microbial activity, environmental conditions, and elemental cycles. Robust interpretation of these signals requires mechanistic understanding of both the metabolic isotope fractionation itself and the impacts of diagenesis on its ultimate preservation. Such understanding is currently limited by simplified models of isotopic fractionation in dissimilatory S metabolisms, and by difficulty in capturing spatio-temporally heterogeneous diagenesis in reaction-transport models. We pioneered metabolic-isotopic models (MIMs), which account for the thermodynamics and kinetics of enzymatic reactions and turn empirical multi-isotope correlations into causal relationships. Here, I propose to develop and apply novel, experimentally-validated MIMs of the three most ecologically important S metabolisms—sulfate reduction, reduced S oxidation, and S disproportionation. By embedding these MIMs in a hierarchy of ecosystem models of increasing dimensionality and sophistication, and comparing the results to microfluidic experiments and environmental data, we will gain quantitative, nuanced insight into: (i) the controls on multi-isotope fractionation in metabolic S cycling, (ii) its heterogeneous manifestation in aqueous and solid compounds, and (iii) the use of these compounds' isotopic compositions to robustly probe S cycling on microscopic to global scales, microenvironmental conditions, and depositional parameters, in both modern and ancient settings. With S as a test case, we blaze a path to similar treatment of the processes that govern the isotopic composition of many other natural materials.

Champ scientifique (EuroSciVoc)

Mots‑clés

Programme(s)

Thème(s)

Régime de financement

HORIZON-ERC - HORIZON ERC Grants

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Appel à propositions

(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) ERC-2023-ADG

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Institution d’accueil

WEIZMANN INSTITUTE OF SCIENCE
Contribution nette de l'UE
€ 2 499 928,00
Coût total
€ 2 499 928,00

Bénéficiaires (1)