Mikrobiologie der Erdkruste · Kultur von Sporomusa sp. Mit sporulierenden Zellen. Die Sporen sind...
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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.
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Welche Bereiche der Erde sind besiedelt?
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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
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Aus: Schmidt & Weis, 1902Die BakterienGustav Fischer Verlag Jena
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- 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).
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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
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Illustration zu Jules Vernes “Reise zum Mittelpunkt der Erde” um 1890
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Problem: aseptische ProbenahmeKontamination beim Bohrvorgang?
Tiefsee-Bohrschiff JOIDES Resolution des internationalen Ocean Drilling Project (ODP). (H.Cypionka)
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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
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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).
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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.
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- 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
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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
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Wovon lebt die Deep Biosphere?
Welche Organismen bilden die die Deep Biosphere?
Wie sind die Organismen an ihren Standort angepasst?
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Wovon lebt die Deep Biosphere?
- 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
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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).
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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) H2O + (FeO)x(SiO2)y (X/2) H2 + X (FeO3/2) + Y (SiO2)
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Mikrobiell beeinflusste Glass-Schichten auf Basalten. (Furnes & Staudigel 1999 Earth Planet Sci Lett)
Basalte
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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) H2O + (FeO)x(SiO2)y (X/2) H2 + X (FeO3/2) + Y (SiO2)
Andere lithotrophe ProzesseAnaerobe Ammoniumoxidation
Anaerob AmmoniumoxidierendeMangan(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) H2O + (FeO)x(SiO2)y (X/2) H2 + X (FeO3/2) + Y (SiO2)
- MethanhydrateMethan - Wasser Cluster, in sehr vielen Subsurface-Sedimenten.
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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.
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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: Halomonas sp. S6BA, B: Alteromonas macleodii S8FS1, C: Bacillus sp. strain S6BB, D: Micrococcus sp. SM3 (Z6), E: Stamm SO1 (Z0)
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Molekulare Analyse von Bakteriengemeinschaften in denSapropelen 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?
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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. Mitsporulierenden Zellen. Die Sporen sind als weiße Einschlüße zu erkennen.
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Haben Mikroorganismen aus der Deep Biosphere einen vergleichbaren Energistoffwechsel wie “normale” Mikroorganismen?
oder
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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).
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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
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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)
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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.
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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
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Aus: Schmidt & Weis, 1902Die BakterienGustav Fischer Verlag Jena
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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.
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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.
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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.
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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)
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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
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Perip
lasm
a Cytoplasm
a
H+ADP + Pi
ATP H+ATPase
pH 2 pH 6,5
+ -
AtmungsketteH+ H+
pHmVFPMF ∆⋅+∆⋅−= 59ψ
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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