Mikrobiologie der Erdkruste · Kultur von Sporomusa sp. Mit sporulierenden Zellen. Die Sporen sind als weiße Einschlüße zu erkennen. VL Mikrobiologie der Erdkruste, Henrik Sass,

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?


Fotos: Hofrichter, Das Mittelmeer, Spektrum Akademischer VerlagLamb & 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.

VL Mikrobiologie der Erdkruste, Henrik Sass, SS 2004Aus: Geo 4/1994

Ozeanische Kruste3 - 8 km

Kontinentale Kruste25 – 70 km

Ca. 0,04-1%vom Radius


Aus: Schmidt & Weis, 1902Die BakterienGustav 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


Methodische Probleme:

- Mikroskopie (Lichtmikroskop, Rasterelektronenmikroskop)

REM-Aufnahme von Mikroorganismen auf 3,5 Mrd. Jahre alten Silikatgestein. (aus Lamb & Sington, Earth Story, BBC).




- Kultivierungsverfahren (Keimzahlbestimmung)

‚Normale‘ Bakterienkultur

Anreicherung von Subsurface-Bakterien




- Kultivierungsverfahren (Keimzahlbestimmung)

- Probenahme


Illustration zu Jules Vernes “Reise zum Mittelpunkt der Erde” um 1890


Problem: aseptische ProbenahmeKontamination beim Bohrvorgang?

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


In der ozeanischen Kruste:

Mikroorganismen wurden bis850 m tief unter dem Meeresboden nachgewiesen.

In der kontinentalen Kruste:

Mikroorganismen wurden bis6800 m tief im Gestein nachgewiesen.

Sed.tiefe [m]

102 104 106 108

Zellzahl [cm-3]1010

10-2

10-1

1

10

100

1000

Parkes et al. 1994, Nature371:410ff


Sulfate [mM]

0 10 20 30 40

Sedi

men

t dep

th [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 mTiefe besiedelt ist.


- Verdauungssysteme 0,05 · 1029

- Ozeane, ca. 106 ml-1 1029

- Böden 2,6 · 1029

- Limnische Systeme 0,002 · 1029

- Sedimente 0,2 · 1029

- Subsurface 40-60 · 1029

(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 · 1030) Mikroorganismen

50 – 90% aller Mikroorganismenauf der Erde in der Deep Biosphere


Die Aktivitäten der Deep Biosphere sind sehr niedrig.

102 104 106 108

Zellzahl [cm-3]1010

10-2

10-1

1

10

100

1000

10000 20000Sulfatreduktionsrate [pmol·cm-3·h-1]

10-2

10-1

1

10

100

1000


Wovon lebt die Deep Biosphere?

Welche Organismen bilden die die Deep Biosphere?

Wie sind die Organismen an ihren Standort angepasst?



- Organisches Material, in der Regel extrem refraktär (Kerogen) und schwer abbaubar.

Sapropele im östlichen Mittelmeer

0 5 10 15

Dep

th (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 Sapropelenund Zwischenschichten. S1 ca. 20.000, S8 etwa 250.000 Jahre alt.Coolen et al. 2002 Science 296:2407ff.

S1

S6S7S8


0

50

100

150

Sedi

men

ttief

e [m

]

0 10 20 30

Sulfat [mM]

0 1 2 3 4 5 6

Methan, Acetat [mM]

10 100 1000 10000 100000 1000000Gesamtzellzahl [10 cm ]-3107 108 109 1010

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




- Basalte (Serpentin, Olivin, Hornblende)Es wird postuliert, daß Basalte unter anoxischen Bedingungen elementaren Wasserstoff freisetzen können.(X/2) H2O + (FeO)x(SiO2)y (X/2) H2 + X (FeO3/2) + Y (SiO2)


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

Basalte





Andere lithotrophe ProzesseAnaerobe Ammoniumoxidation

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





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


Subsurface-Sediment aus dem Pazifik mit Methanhydraten (weiß).Foto: H.Cypionka


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.



Welche Organismen bilden die Deep Biosphere?

Handelt es sich bei den Mikroorganismen aus der Deep Biosphere um die selben Typen wie an der Erdoberfläche?


A B C

D E

Phasenkontrast Microphotographien von Isolaten aus Sapropelen und Zwischenschichten.A: Halomonas sp. S6BA, B: Alteromonas macleodii S8FS1, C: Bacillus sp. strain S6BB, D: Micrococcus sp. SM3 (Z6), E: Stamm SO1 (Z0)


Molekulare Analyse von Bakteriengemeinschaften in denSapropelen des östlichen Mittelmeeres(Coolen et al. 2002)



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


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. Mitsporulierenden Zellen. Die Sporen sind als weiße Einschlüße zu erkennen.


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

oder


U47 U45 S6BA S7A0

20

40

60

80

100

120

140

Zuna

hme

der Z

ellz

ahl [

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 mS verschiedener Mikroorganismen.

Art Substrat mS

[µmol Substrat (g TM)-1 h-1]

Escherichia coli Glucose, aerob 0,2 - 0,4Pseudomonas fluorescens Acetat, aerob 0,25 - 0,6 Desulfobulbus propionicus Ethanol, Sulfat 0,9Propionigenium modestum Succinat, Gärer 0,87


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 CDichte 2 g·cm-3, Porosität 0,3In 1 cm3 Sediment befinden sich 108 Zellen.

Organisches Material bestünde vollständig aus Substrat.


1145 - 191687 – 146 0,87Pg. modestum

2220 – 3704 175 – 292 0,9Db. propionicus

3330 – 13333175 – 292 0,25 – 0,6 Ps. fluorescens

1664 – 554858 – 970,2 – 0,4E. 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, 1902Die BakterienGustav Fischer Verlag Jena


Endosporen als Überdauerungsstadien

Wie lang kann eine Spore überdauern?

7.000 Jahre, Seesediment10.000 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. Mitsporulierenden 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 Anteilan ungesättigten Fettsäuren in Cytoplasmamembran, modifizierte Enzyme.



Temperatur

Leben ist an flüssiges Wasser gebunden.

Gefrierpunkt von Seewasser: -1,8°Cantarktisches Sea ice: -15°CSea ice hat Klüfte und Spalten in denen noch unterkühltes flüssiges Wasser vorkommt.

Mittelozeanische Rücken, geothermale QuellenWegen 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.




pH-Werte

VulkanbödenBergbaurestseen

Böden, Moorgewässer

Seen, Meerwasseralkalische Böden (Kalk)

Sodaseen

01234567891011121314

Picrophilus oshimae (pH -0,7-pH2)

Thiobacillus acidophilus (bis pH1)

Essigsäurebakterien (pH3-7)

acidophile Bakterien (pHopt < 5)

neutrophile Bakterien (pHopt 6-8)

alkaliphile Bakterien (bis pH12, pHopt 10-11)


Perip

lasm

a Cytoplasm

a

H+ADP + Pi

ATP H+ATPase

pH 7 pH 7,5

+ -Atmungskette

H+ H+

a

i

HH

FzTRFPMF

][][ln +

+

⋅⋅−∆⋅−= ψ

pHmVFPMF ∆⋅+∆⋅−= 59ψ


Perip

lasm

a Cytoplasm

a

H+ADP + Pi

ATP H+ATPase

pH 2 pH 6,5

+ -

AtmungsketteH+ H+

pHmVFPMF ∆⋅+∆⋅−= 59ψ



Rolle der Mikroorganismen im Ökosystem

Generalisten – Spezialisten

Chemo / Phototroph EnergiekonservierungLitho / Organotroph ElektronendonatorAuto / Heterotroph Kohlenstoffquelle

Bsp. Homo sapiens chemoorganoheterotrophChlorella sp. photolithoautotrophThiobacillus sp. chemolithoautotroph

Auftreten im Ökosystem Konzept S.Winogradsky Autochthon oder indigen Typisch, rel. stabile PopulationsgrößeAllochthon oder zymogen Untypisch, starke Populations-

schwankungen, schnellwachsend

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