Mikrobiologie der Erdkruste

(1)

VL Mikrobiologie der Erdkruste, Henrik Sass, SS 2004

Mikrobiologie der Erdkruste

Leben in den Sedimenten, Boden und im Gestein

Termine:

22.4., 29.4., 6.5., 13.5., 27.5.

Welche Bereiche der

Erde sind besiedelt?

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VL Mikrobiologie der Erdkruste, Henrik Sass, SS 2004 Fotos: Hofrichter, Das Mittelmeer, Spektrum Akademischer Verlag

Lamb & Sington, Earth Story, BBC

Links: Gletscher in den Patagonischen Anden (Argentinien)

Rechts: Uferbereich des Toten Meeres mit Salz- Inkrustierungen. Diese werden von halophilen Mikroorganismen besiedelt.

Unten: Grönländisches Festlandseis mit Gasblasen.

Ozeanische Kruste 3 - 8 km

Kontinentale Kruste 25 – 70 km

Ca. 0,04-1%

vom Radius

(3)

Aus:

Schmidt & Weis, 1902 Die Bakterien

Gustav Fischer Verlag Jena

- Erdölindustrie: Schwefelwasserstoff in den Lagerstätten (1926 Bastin, 1933 Ginsberg-Karagitscheva)

- Tiefseesedimente (ZoBell 1946) - Nuklearindustrie (1950 ff.)

Deponierung und Folgeuntersuchungen Atomversuche

Waren die gefundenen Mikroorganismen indigen oder

wurden sie erst durch menschliche Aktivität dort eingebracht?

Hinweise auf Mikroorgansimen im Erdinneren

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Methodische Probleme:

- Mikroskopie (Lichtmikroskop, Rasterelektronenmikroskop)

REM-Aufnahme von Mikroorganismen auf 3,5 Mrd. Jahre alten Silikatgestein.

(aus Lamb & Sington, Earth Story, BBC).

Methodische Probleme:

- Mikroskopie (Lichtmikroskop, Rasterelektronenmikroskop) - Kultivierungsverfahren (Keimzahlbestimmung)

‚Normale‘ Bakterienkultur

Anreicherung von Subsurface-Bakterien

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Methodische Probleme:

- Mikroskopie (Lichtmikroskop, Rasterelektronenmikroskop) - Kultivierungsverfahren (Keimzahlbestimmung)

- Probenahme

Illustration zu Jules Vernes “Reise zum

Mittelpunkt der Erde” um 1890

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Problem: aseptische Probenahme Kontamination beim Bohrvorgang?

Tiefsee-Bohrschiff JOIDES Resolution des internationalen Ocean Drilling Project (ODP). (H.Cypionka)

In der ozeanischen Kruste:

Mikroorganismen wurden bis 850 m tief unter dem

Meeresboden nachgewiesen.

In der kontinentalen Kruste:

Mikroorganismen wurden bis 6800 m tief im Gestein

nachgewiesen.

Sed.tiefe [m]

10

²

10

⁴

10

⁶

10

⁸

Zellzahl [cm

^-3

]

10

¹⁰

10

^-2

10

^-1

1

10

100 1000

Parkes et al. 1994, Nature371:410ff

(7)

Sulfate [mM]

0 10 20 30 40

Sediment depth [m]

0

50

100

150

200

Methane [mM]

0 1 2 3

Total cell count [cm

^-3

]

10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰

Chemische Sedimentprofile und Zellzahlen in Sedimenten des östlichen Pazifizik (ODP Leg 201).

Wo liegt das mögliche Tiefenmaximum der Deep Biosphere?

Tiefen- (Temperatur) Verteilung der Gesamtzellzahlen in den ODP 858 A+D (rechts).

Vertikale gestrichelte Linien: Signifikanzgrenze. Datenpunkte auf der y-Achse: keine Zellen nachweisbar.

Pyrolobus fumarii: 115°C

Zerfall von DNA und ATP: 170°C

Es gibt Vernmutungen, dass die

ozeanische Kruste bis in 5000 m

Tiefe besiedelt ist.

(8)

- Verdauungssysteme 0,05 · 10

²⁹

- Ozeane, ca. 10

⁶

ml

^-1

10

²⁹

- Böden 2,6 · 10

²⁹

- Limnische Systeme 0,002 · 10

²⁹

- Sedimente 0,2 · 10

²⁹

- Subsurface 40-60 · 10

²⁹

(Whitman et al., Proc Natl Acad Sci USA 95:6578-6583, 1998)

Welchen Anteil hat die Deep Biosphere an der globalen Biomasse?

Insgesamt leben auf der Erde etwa:

5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (5 · 10

³⁰

) Mikroorganismen

50 – 90% aller Mikroorganismen auf der Erde in der Deep Biosphere

Die Aktivitäten der Deep Biosphere sind sehr niedrig.

10

²

10

⁴

10

⁶

10

⁸

Zellzahl [cm

^-3

]

10

¹⁰

10

^-2

10

^-1

1

10

100 1000

10000 20000

Sulfatreduktionsrate [pmol·cm

^-3

·h

^-1

]

10

^-2

10

^-1

1

10

100 1000

(9)

Wovon lebt die Deep Biosphere?

Welche Organismen bilden die die Deep Biosphere?

Wie sind die Organismen an ihren Standort angepasst?

Wovon lebt die Deep Biosphere?

- Organisches Material,

in der Regel extrem refraktär (Kerogen) und schwer abbaubar.

Sapropele im östlichen Mittelmeer

0 5 10 15

Depth (m)

0

1

2

3

4

Frequency of dividing cells (%)

0 5 10 15 20

Bacterial cells (x10⁷ cm^-3)

S1

S3 S4 S5 Glucose degradation (nM h^-1)

0 1 2 3 4 5

A B

Gesamtzellzahlen (links) und ¹⁴C-Glucose-Mineralisation (rechts) in Sapropelen und Zwischenschichten. S1 ca. 20.000, S8 etwa 250.000 Jahre alt.

Coolen et al. 2002 Science 296:2407ff.

S1

S6 S7 S8

(10)

0

50

100

150

Sedimenttiefe [m]

0 10 20 30

Sulfat [mM]

0 1 2 3 4 5 6

Methan, Acetat [mM]

10 100 1000 10000 100000 1000000 Gesamtzellzahl [10 cm ]^-3

10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰

Tiefenprofile der Konzentrationen von Methan (Grün), Acetat (Rot) und Sulfat (Blau) und der Gesamtzellzahl in Sedimentproben aus dem Ostpazifik (Leg 201).

Wovon lebt die Deep Biosphere?

- Organisches Material,

in der Regel extrem refraktär (Kerogen) und schwer abbaubar.

- Basalte (Serpentin, Olivin, Hornblende)

Es wird postuliert, daß Basalte unter anoxischen Bedingungen elementaren Wasserstoff freisetzen können.

(X/2) H

₂

O + (FeO)

_x

(SiO

₂

)

_y

(X/2) H

₂

+ X (FeO

_3/2

) + Y (SiO

₂

)

(11)

Mikrobiell beeinflusste Glass-Schichten auf Basalten. (Furnes & Staudigel 1999 Earth Planet Sci Lett)

Basalte

Wovon lebt die Deep Biosphere?

- Organisches Material,

in der Regel extrem refraktär (Kerogen) und schwer abbaubar.

- Basalte (Serpentin, Olivin, Hornblende)

Es wird postuliert, daß Basalte unter anoxischen Bedingungen elementaren Wasserstoff freisetzen können.

(X/2) H

₂

O + (FeO)

_x

(SiO

₂

)

_y

(X/2) H

₂

+ X (FeO

_3/2

) + Y (SiO

₂

) Andere lithotrophe Prozesse

Anaerobe Ammoniumoxidation

Anaerob Ammoniumoxidierende Mangan(IV)-reduzierende Bakterien mit einer Manganoxid-Flocke.

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Wovon lebt die Deep Biosphere?

- Organisches Material,

in der Regel extrem refraktär (Kerogen) und schwer abbaubar.

- Basalte (Serpentin, Olivin, Hornblende)

Es wird postuliert, daß Basalte unter anoxischen Bedingungen elementaren Wasserstoff freisetzen können.

(X/2) H

₂

O + (FeO)

_x

(SiO

₂

)

_y

(X/2) H

₂

+ X (FeO

_3/2

) + Y (SiO

₂

) - Methanhydrate

Methan - Wasser Cluster, in sehr vielen Subsurface-Sedimenten.

Subsurface-Sediment aus dem Pazifik mit Methanhydraten (weiß).

Foto: H.Cypionka

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Konsortium aus Methan-oxidierenden Archaeen (rot) und sulfatreduzierenden Bakterien (Grün). Vorkommen oberhalb von Gashydraten in Sedimenten des West- Atlantiks.

Boetius et al. 2000, Nature 407:623ff

Geochemische Sedimentprofile und Gesamtzellzahlen in Sedimenten am ODP Bohrloch 1027 (Juan de Fuca Ridge).

In tiefen Sedimenten, in denen wieder Sulfat verfügbar ist, wird Methan verbraucht.

Wovon lebt die Deep Biosphere?

Welche Organismen bilden die Deep Biosphere?

Handelt es sich bei den Mikroorganismen aus der Deep Biosphere um

die selben Typen wie an der Erdoberfläche?

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A B C

D E

Phasenkontrast Microphotographien von Isolaten aus Sapropelen und Zwischenschichten.

A: Halomonassp. S6BA, B: Alteromonas macleodiiS8FS1, C: Bacillussp. strain S6BB, D:Micrococcussp. SM3 (Z6), E: Stamm SO1 (Z0)

Molekulare Analyse von

Bakteriengemeinschaften in den

Sapropelen des östlichen Mittelmeeres

(Coolen et al. 2002)

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Wovon lebt die Deep Biosphere?

Welche Organismen bilden die die Deep Biosphere?

Wie sind die Organismen an ihren Standort angepasst?

Können Subsurface-Mikroorganismen den gleichen Energiestoffwechsel haben wie „normale“ Bakterien?

Besitzen sie spezielle Anpassungen?

- Druck

- Temperatur

- Substratversorgung

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Es gibt bislang sehr wenige detaillierte Untersuchungen über Isolate aus der Deep Biosphere.

Der Großteil der Isolate aus der terrestrischen Subsurface sind Sporenbildner. Sind dies die relevanten Organismen an diesen Standorten oder nur Überdauerungsstadien?

Kultur von Sporomusa sp. Mit sporulierenden Zellen. Die Sporen sind als weiße Einschlüße zu erkennen.

Haben Mikroorganismen aus der Deep Biosphere einen vergleichbaren Energistoffwechsel wie “normale” Mikroorganismen?

oder

(17)

U47 U45 S6BA S7A

0 20 40 60 80 100 120 140

Zunahme der Zellzahl [x N ]o

Urania-Becken Sapropele

Zunahme der Zellzahl bei Halomonas aquamarina-Stämmen aus dem Urania-Becken und Sapropelen im Wachstumsversuch (5 mM Acetat).

Erhaltungsstoffwechsel

Auch nicht wachsende Mikroorganismen brauchen Energie zum Erhalt der Biomasse.

Betrachte Maintenance coefficient m

_S

verschiedener Mikroorganismen.

Art Substrat m

_S

[µmol Substrat (g TM)

^-1

h

^-1

]

Escherichia coli Glucose, aerob 0,2 - 0,4 Pseudomonas fluorescens Acetat, aerob 0,25 - 0,6 Desulfobulbus propionicus Ethanol, Sulfat 0,9

Propionigenium modestum Succinat, Gärer 0,87

(18)

ATP molecules per cell and day Sampling sites

Equatorial Pacific Ocean 259

Peru Margin 13,690

Japan Sea 66,670

Nankai Trough¹⁾ 16,080,000

Pure cultures

Acetobacterium woodii 650,000,000 Desulfobulbus propionicus 8,450,000,000

1) Anaerobic methane oxidation zone

Energiemenge, die Zellen aus der tiefen Biosphäre potenziell pro Tag zur Verfügung steht [D‘Hondt et al.

2003], verglichen mit dem Energiebedarf anaerober Mikroorganismen für den Erhaltungsstoffwechsel.

(aus Sass et al. Biospektrum 2003)

Betrachte Tiefseesediment:

Annahme:

Oberflächensediment mit 0,3 - 0,5 % org C Dichte 2 g·cm

^-3

, Porosität 0,3

In 1 cm

³

Sediment befinden sich 10

⁸

Zellen.

Organisches Material bestünde vollständig aus Substrat.

(19)

1145 - 1916 87 – 146

0,87 Pg. modestum

2220 – 3704 175 – 292

0,9 Db. propionicus

3330 – 13333 175 – 292

0,25 – 0,6 Ps. fluorescens

1664 – 5548 58 – 97

0,2 – 0,4 E. coli

Potentielle Überlebens- dauer in Jahren Substrat

[µmol]

Maint. Coeff.

[µmol·g

^-1

·h

^-1

] Bakterium

Potentielle Überlebensdauer nicht–wachsender Bakterienkulturen unter den vorne gemachten Annahmen

Aus:

Schmidt & Weis, 1902 Die Bakterien

Gustav Fischer Verlag Jena

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Endosporen als Überdauerungsstadien

Wie lang kann eine Spore überdauern?

7.000 Jahre, Seesediment 10.000 Jahre, Permafrostboden

25-40 Millionen Jahre, Bernstein (Science 1995, 268:1060-1064) 250 Mio Jahre, Salzkristalle ?

Postgate: Bakterien im Bernstein wuchsen auf verbliebenen organischem Material, Kette von Generationen, keine älter als 2 Mio Jahre.

Kultur von

Sporomusa

sp. Mit sporulierenden Zellen. Die Sporen sind als weiße Einschlüße zu erkennen.

Druck

Bakterien haben keine Schwimmblase. Sind sie druckempfindlich?

Bringe Luftballon in 1000 m Wassertiefe

... 1 bar Druckanstieg pro 10 m, bei 1000 m 100 facher Druckanstieg

?... gefüllt mit Luft O ° (1 %)

? ... oder mit Wasser O O (fast 100 %)

Hohe Drücke haben einen Einfluß auf:

- Siedepunkt und Viskosität des Wassers - Membranfluidität

- Stabilität einiger Biomoleküle

Barophile Mikroorganismen sind an hohe Drücke angepasst, z.B. höherer Anteil

an ungesättigten Fettsäuren in Cytoplasmamembran, modifizierte Enzyme.

(21)

Temperatur

Leben ist an flüssiges Wasser gebunden.

Gefrierpunkt von Seewasser: -1,8°C antarktisches Sea ice: -15°C

Sea ice hat Klüfte und Spalten in denen noch unterkühltes flüssiges Wasser vorkommt.

Mittelozeanische Rücken, geothermale Quellen

Wegen des hohen Drucks noch bis 300 °C flüssiges Wasser.

Das derzeitige Rekord für hyperthermophile Mikroorganismen liegt bei 121°C

Das obere Temperaturlimit wird durch die Stabilität von Zellkomponenten

bestimmt. Nukleinsäuren sind bis etwa 170°C stabil.

(22)

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pH-Werte

Vulkanböden Bergbaurestseen

Böden, Moorgewässer

Seen, Meerwasser alkalische Böden (Kalk)

Sodaseen

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Picrophilus oshimae (pH -0,7-pH2)

Thiobacillus acidophilus (bis pH1) Essigsäurebakterien (pH3-7) acidophile Bakterien (pH

_opt

< 5)

neutrophile Bakterien (pH

_opt

6-8)

alkaliphile Bakterien (bis pH12, pH

_opt

10-11)

Periplasma Cytoplasma

H ⁺

ADP + P

_i

ATP

H ⁺ ATPase

pH 7 pH 7,5

+ -

Atmungskette

H ⁺ H ⁺

a i

H H F z

T F R

PMF [ ]

] ln [

₊

+

⋅

− ⋅

∆

⋅

−

= ψ

pH mV F

PMF = − ⋅ ∆ ψ + 59 ⋅ ∆

(24)

Periplasma Cytoplasma

H ⁺

ADP + P

_i

ATP

H ⁺ ATPase

pH 2 ^{pH 6,5}

+ -

Atmungskette

H ⁺ H ⁺

pH mV F

PMF = − ⋅ ∆ ψ + 59 ⋅ ∆

(25)