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Manganese oxidation as a relevant process for the astrobiological exploration on Mars

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Salgado, Willian Pinheiro
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46136/tde-22052025-100014/
Resumo: Fundamental questions exist about the nature and history of redox processes operating on the Martian surface environment. The planet\'s surface is full of minerals that could provide clues about the planet\'s past characteristics and evolution. NASA\'s Curiosity, Opportunity and Perseverance rovers have found deposits of manganese (Mn) oxides and hydroxides in Gale, Endeavor, and Jezero craters on Mars. These minerals are formed through the reaction between Mn(II) in an aqueous solution and a high-potential oxidizing agent, and may provide unique information about the Martian paleoenvironment, recording past pH conditions, redox potential, and interaction between rocks and liquid water. While in the terrestrial environment, Mn(II) oxidation is thought to be primarily a consequence of biological activity, we conducted laboratory simulations to investigate the capacity of oxyhalogen species — perchlorate ClO4-(aq), chlorate ClO3-(aq), and bromate BrO3-(aq) ions — as Mn(II) oxidants in an abiotic Martian setting. Bromate oxidizes Mn(II) under acidic conditions, where oxidation by other oxidants, such as O2 or reactive oxygen species (ROS), cannot occur because of unfavorable thermodynamics. Hence, the presence of oxidized Mn minerals on Mars may suggest the occurrence of a halogen cycling on Mars, in contrast to a past O2-rich atmosphere. The samples were analyzed using a multi-technique approach, combining data from XRD, Raman spectroscopy, XANES and SEM-EDS. The phase determination of the samples was inconclusive, however the results suggest the formation of Mn(IV) or a mix Mn(III/IV) (hydr)oxides, with a low Point of Zero Charge value (PZC = 2.61). Mn oxidized minerals found on Mars offer a valuable tool for assessing its habitability potential. We suggest these Mn minerals are key samples for future Mars sample return missions to Earth.
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While in the terrestrial environment, Mn(II) oxidation is thought to be primarily a consequence of biological activity, we conducted laboratory simulations to investigate the capacity of oxyhalogen species — perchlorate ClO4-(aq), chlorate ClO3-(aq), and bromate BrO3-(aq) ions — as Mn(II) oxidants in an abiotic Martian setting. Bromate oxidizes Mn(II) under acidic conditions, where oxidation by other oxidants, such as O2 or reactive oxygen species (ROS), cannot occur because of unfavorable thermodynamics. Hence, the presence of oxidized Mn minerals on Mars may suggest the occurrence of a halogen cycling on Mars, in contrast to a past O2-rich atmosphere. The samples were analyzed using a multi-technique approach, combining data from XRD, Raman spectroscopy, XANES and SEM-EDS. The phase determination of the samples was inconclusive, however the results suggest the formation of Mn(IV) or a mix Mn(III/IV) (hydr)oxides, with a low Point of Zero Charge value (PZC = 2.61). Mn oxidized minerals found on Mars offer a valuable tool for assessing its habitability potential. We suggest these Mn minerals are key samples for future Mars sample return missions to Earth.Existem questões fundamentais sobre a natureza e a história dos processos redox que operam na superfície marciana. A superfície do planeta está repleta de minerais que podem fornecer pistas sobre suas características passadas e evolução. Os rovers Curiosity, Opportunity e Perseverance da NASA encontraram depósitos de óxidos e hidróxidos de manganês (Mn) nas crateras Gale, Endeavour e Jezero em Marte. Esses minerais são formados através da reação entre o Mn(II) em solução aquosa e um agente oxidante de elevado potencial redox (Eh), e podem fornecer informações únicas sobre o paleoambiente marciano, registrando condições passadas de pH, potencial redox, e interação entre as rochas e a água líquida. Enquanto no ambiente terrestre a oxidação do Mn(II) é uma consequência da atividade biológica, neste estudo nós conduzimos simulações de laboratório para investigar a capacidade das espécies oxihalogenadas — íons perclorato ClO4-(aq), clorato ClO3-(aq), e bromato BrO3-(aq) — em oxidar o Mn(II) em solução em um cenário marciano abiótico. O bromato oxida o Mn(II) dissolvido em condições ácidas, onde a oxidação por outros oxidantes, como o O2 ou espécies reativas de oxigênio (ROS), não podem ocorrer devido à termodinâmica desfavorável. Portanto, a presença de minerais oxidados de Mn em Marte possivelmente sugere a ocorrência de um ciclo geoquímico de uma espécie halogenada em Marte, em contraste à uma atmosfera passada rica em O2. As amostras foram analisadas através de uma abordagem multi-técnicas, combinando dados de DRX, espectroscopia Raman, XANES e MEV-EDS. A determinação de fase das amostras foi inconclusiva, porém os resultados da caracterização dos produtos sintetizados sugerem a formação de óxidos de Mn(IV) e de fases mistas de (hidr)óxidos de Mn(III/IV), com baixo valor de Ponto de Carga Zero (PZC = 2,61). Os minerais oxidados de Mn observados em Marte oferecem uma ferramenta valiosa para avaliar o potencial de habitabilidade do planeta. Sugerimos que esses minerais sejam considerados amostras-chave para futuras missões de retorno de amostras à Terra.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPRodrigues, FábioSalgado, Willian Pinheiro2024-03-25info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46136/tde-22052025-100014/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-06-18T20:42:02Zoai:teses.usp.br:tde-22052025-100014Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-06-18T20:42:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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