Mikrobiologie der Erdkruste

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Mikrobiologie der Erdkruste

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Heribert Cypionka

Auf der Suche nach den Mikroben in

marinen Sedimenten

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Motivation

Anzahl der Prokaryoten auf der Erde **4 - 6 * 10 ³⁰ Anzahl Zellen im**

Offener Ozean **1.2 * 10** ²⁹

Marine Sedimente **3.5 * 10** ³⁰

Erdboden **2.6 * 10** ²⁹

Sub-terrestrisch **0.5 – 2.5 * 10** ³⁰

Globale Biomasse der Prokaryoten **350 - 550 * 10 ¹⁵ g C (60-100 % der Eukaryoten) Produktion von Zellen 1.7 10 ³⁰ a ^-1**

Generationszeit in Sedimenten **1 - 2 * 10** ³ a

Whitman WB, Coleman DC, Wiebe WJ (1998) Prokaryotes: The unseen majority. Proc. Natl,. Acad. Sci. USA 6578-6583

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'Kultivierbarkeit'

Weit über 99 % aller Bakterien an natürlichen Standorten gelten als 'unkultivierbar'.

Aber Mutter Natur hat sie an ihrem Standort wachsen lassen.

=> 'Unkultivierbarkeit' beschreibt eine Unfähigkeit von Wissenschaftlern.

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Erhaltungsstoffwechsel (Maintenance energy)

≈≈ 4 mmol ATP g ^-1 Trockenmasse h ^-1 = 4800 J d ^-1 (g Trockenmasse) ^-1

≈≈ 10 ⁹ ATP-Cyclen pro Bakterium und Stunde

1 - 10 mM ATP im Cytoplasma, Zellvollumen 10 ^-16 - 10 ^-15 l

**≈≈ 6 * 10 ⁵ ATP-Moleküle pro Zelle**

≈≈ 1 Cyclus pro sec für jedes ATP-Molekül

Seitz H-J, Cypionka H (1986) Arch Microbiol 146:63-67 Müller RH, Babel W (1996) Appl Environ Microbiol 62:147-151 Harder J (1997) FEMS Microbiol Ecol 23:39-44

Wir verstehen das (Über-)Leben in einer Population mit 10 000 Jahren Verdopplungszeit noch nicht

Erhaltungsstoffwechsel

Ein Beispiel: Aus dem Leben 'normaler' Bakterien

Ziele

Verstehen der Lebensgemeinschaft Wieviele sind da?

Wer ist da?

Wovon und wie leben sie?

Was leisten sie?

Voraussetzung: Methodische Arbeiten

Wie kann man Sedimentbakterien kultivieren?

Wie kann man die Populationen charakterisieren?

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Forschungsschiffe

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Senckenberg

Prof. Albrecht Penck

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Meteor

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JOIDES Resolution

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Kerngewinnung

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Multicorer

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Boxcorer

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Schwerelot

Bohrköpfe und Kernfänger

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Advanced Piston Corer

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Extended Core Barrel

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Mittelmeer-Sediment mit Sapropelschichten

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Mit XCB gewonnenes Kernstück

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Gasdruck

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Methanhydrat

Mit XCB gewonnene Kernstücke

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Kontaminationstests

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- Beads: fluoreszierende Kügelchen (0.5 µm Ø) als Indikatoren für Kontamination mit Drill- oder Meerwasser

- Appliziert als Päckchen mit Beads

entsprechend der Bakterienzahl in 25 m ³

Meerwasser

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Smith, D. C., Spivack, A. J., Fisk, M. R., Haveman, S. A., and Staudigel, H., 2000b. Tracer-based estimates of drilling-induced microbial contamination of deep sea crust. Geomicrobiol. J., 17: 207-219

Perfluorocarbon Tracer (PFT)

- Leicht flüchtiger, recht lipophiler Tracer, mit dem das Bohrwasser gesättigt war - Hochempfindlich im GC nachweisbar

Subcores

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Einfrieren der obersten Schicht mit Trockeneis

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Cutting device,

Modell Bristol

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ODP Cutter

'Sampling bucket', Modell Bristol

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Slurries

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Kultivierungsversuche

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Deepwell-Microtiter-Platten

Medien

- Künstliches Meerwasser

- FeS: Partikel und Reduktionsmittel

- Substratgemische in niedriger Konzentration

- [Mono] Monomere - [Poly] Polymere

- [Aro] Aromatische Verbindungen und Fettsäuren

- [Sed] Extrakt aus Wattenmeer-Sediment

- [Lac] Lactat

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Variationen

- Radiotracer-MPN

- Sulfatfreies Medium reduziert mit Ti ³⁺ oder Fe-Nagel - Pasteurisation, um sporulierte Zellen zu zählen - Sauerstoff für (fakultativ) aerobe Bakterien

- Background-Bakterien

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- Fe-reduzierte Kulturen mit H ₂ -Blasen

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Background-Bakterien

- verbrauchen verbrauchen Sauerstoff (Reduktionsmittel) - Wasserstoff (syntrophe Hilfe für Gärer, Oxidationsmittel)

Gradienten-Kulturen

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ODP Leg 201

Deutsche ODP-Organisation:

www.bgr.de/odp

Texas: www-odp.tamu.edu

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Forschungsschiff JOIDES Resolution ODP - Ocean Drilling Program

Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling (JOIDES)

Leg 201 C o n t r o l s o n M i c r o b i a l C o m m u n i t i e s i n D e e p l y B u r i e d S e d i m e n t s , E a s t e r n E q u a t o r i a l P a c i f i c a n d P e r u M a r g i n

This expedition of the Ocean Drilling Program will investigate the nature and extent of microbial activity in deeply buried sediments in several environments. Three fundamental questions will be addressed.

Do different microbial communities populate different sedimentary

geochemical regimes, or do these communities differ only in degree and

kinds of community activity? How does the flow of electron acceptors

through deeply buried sediments affect microbial communities and

sediment geochemistry? To what extent do paleooceanographic conditions

as preserved in deeply buried ocean sediments affect microbial

communities currently inhabiting this part of the Earth's biosphere?

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© Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 100 - 5000

m

10 - 420 m

Temperaturen

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Aufschlämmungen

der Proben aus Site 1231

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Sulfatkonzentrationen

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Methankonzentrationen

Sedimenttiefe (m)

Methankonzentration (mM)

0 1 2

Sulfatkonzentration (mM)

0 10 20 30

Wasser Sediment

50

100 150 0

Chemische Gradienten als Hinweis auf Lebewesen

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Diffusion

F = D * A * δc/δx (1. Fick'sches Gesetz) F = Fluss

D = Diffusionskoeffizient (Durchlässigkeit) A = Fläche

δc/δx = Konzentrationsänderung (1. Ableitung)

Gradienten

Beispiel: Diffusiver Fluss von Sauerstoff durch Wasser

Die O ₂ -Konzentration ändere sich auf 4 mm von 280 µM auf 210 µM

• Diffusionskoeffizient D von O ₂ in Wasser, 25 °C: 0.0792 cm ² h ^-1

• A: Fläche: 1 cm ²

• Gradient δc/δx: -70 µM/0.4 cm = -175 nmol cm ^-4 (1 µM = 1 nmol/ml = 1 nmol cm ^-3 )

• Fluss F = D * A * δc/δx

= 0.0792 cm ² h ^-1 * -175 nmol cm ^-4 = -13.9 nmol O ₂ cm ^-2 und h ^-1

Gradienten

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Eine Änderung der Steigung (im steady state) zeigt Verbrauch oder Produktion des diffusiblen Stoffes an. Berechnung der

Verbrauchsrate aus der zweiten Ableitung des Gradienten.

Diffusion

Gradienten

Berechnung der O ₂ - Aufnahme s. 2 Folien vorher

Sand- korn

Gradienten

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Bakterienzahlen (Acridin-Orange)

Site 1229

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Sulfatreduzierende Bakterien reduzieren in einem anaeroben Atmungsprozess Sulfat zu Schwefelwasserstoff. Dazu können Wasserstoff oder organische Verbindungen als Elektronendonatoren dienen.

Gleichung 1: Sulfatreduktion

4 H2 + SO42- + 2 H⁺→→ H2S + 4 H2O ∆G'0 = -158 kJ/mol

Methanogene Archaeen reduzieren in einem anaeroben Atmungsprozess Kohlendioxid zu Methan. Dazu kann ebenfalls Wasserstoff als Elektronendonator genutzt werden.

Gleichung 2: Methanogenese

4 H2 + CO2 →→ CH4 + 2 H2O ∆G'0 = -131 kJ/mol

Wie könnten diese Mikroorganismen für den Verlauf der Gradienten von Methan und Sulfat mitverantwortlich sein?

Anaerob Methan oxidierende Konsortien

Methankonzentration (mM)

0 1 2

Sulfatkonzentration (mM)

0

10 20 30

Wasser Sediment 50

100

150 0

10⁷

Gesamtzahl der Prokaryoten pro cm³Sediment 0

Wasser Sediment 50

100

150

10⁸10⁹10¹⁰

Konsortium von methanogenenen Archaeen (grün) und sulfatreduzierenden Bakterien (rot) im Fluoreszenzmikroskop, Maßstab = 5 µm.

(Foto K. Ishii und R. Amann, Max Planck-Institut für marine Mikrobiologie, Bremen) Links: Tiefenprofile von Sulfat und Methan in einem Sediment vor der Küste von Peru.

In einer Tiefe von 90 m gibt es hier einen Zustrom sulfathaltigen Wassers. Rechts:

Gesamtzahl der Zellen, die nach Anfärbung der Nukleinsäuren im Fluoreszenz- Mikroskop gezählt wurden.

Sedimenttiefe (m)

Anaerobe Methanoxidation

CH4 + 2 H2O →→ 4 H2 + CO2 ∆G'0 = +131 kJ/mol 4 H2 + SO42- + 2 H+ →→ H2S + 4 H2O ∆G'0 = -158 kJ/mol Summe

CH4 + 2 H2O + SO42- + 2 H⁺→→ H2S + 4 H2O + CO2 ∆G'0 = -27 kJ/mol Tatsächlich scheint nicht H2 das reduzierte Zwischenprodukt zu sein!

Mikrobiologie der Erdkruste

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