Iron-metabolising bacteria as a driving force in weathering of iron-bearing minerals

Mikrobielle Gesteinsverwitterung findet in der Erdkruste statt, in der Eisen (Fe) das am vierthäufigsten vorkommende Element ist. Eisen kommt in allen Stadien der Umwandlung von Gestein in Boden vor, z. B. bei der Besiedlung von Primärgestein, dem Abbau von Gestein, der Saprolitbildung und den Elementkreisläufen. Mikroorganismen verwittern Gestein und Minerale durch Veränderung des pH-Werts, Metallchelatbildung, Abbau von organischem Material und Redoxreaktionen und verändern dadurch physiochemisch ihre Umgebung. Redoxreaktionen sind der Schlüsselprozess der Biota zur Energiegewinnung in allen wichtigen biogeochemischen Kreisläufen (d. h. denjenigen, die sich um C, Fe, Mn, N, P und S drehen) durch Elektronenübertragung zwischen einem Redoxpaar, bestehend aus einem Elektronendonor und einem Elektronenakzeptor. Fe-metabolisierende Bakterien nutzen Redoxreaktionen, um sich an oligotrophe (d. h. nährstoffarme) Umgebungen anzupassen und dort zu überleben. Feld- und Laborstudien sind ein wertvolles Instrument zur Entschlüsselung der mikrobiellen Gesteinsverwitterung auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Ebenen. Bisher konzentrierten sich Feldstudien hauptsächlich auf (a) die Mineralverwitterung im tiefen Untergrund (von granitoiden Verwitterungsprofilen) und (b) die mikrobielle Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen in geringer Tiefe und feuchtem Klima. Es gibt jedoch kaum Studien über die mikrobielle Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen im tiefen Untergrund von granitoiden Gesteinen in ariden und semiariden Umgebungen. Darüber hinaus ist nur unzureichend geklärt, wie die mikrobielle Verwitterungsaktivität von Fe-metabolisierenden Mikroorganismen im tiefen Untergrund mit den unterschiedlichen klimatischen Bedingungen zusammenhängt. Mehr noch, aufgrund des Mangels an Studien zur mikrobiellen Verwitterung im tiefen Untergrund ariderer Klimazonen unterschätzen wir wahrscheinlich, wie wichtig und weit verbreitet die mikrobielle Verwitterung quantitativ ist. Daher ist es wichtig zu verstehen, welche Faktoren die mikrobielle Verwitterungsaktivität im tiefen Untergrund entlang von Klimagradienten steuern. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Fragen, indem sie Bohrkerne und Bodenproben von vier Verwitterungsprofilen aus felsischem plutonischem Gestein entlang eines Klimagradienten von Norden nach Süden untersucht. Der Klimagradient reicht von ariden (Pan de Azúcar, PdA) über semiaride (Santa Gracia, SG) und mediterrane (La Campana, LC) bis hin zu feuchten (Nahuelbuta, NA) Klimazonen der chilenischen Küstenkordillere. Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Rolle Fe-metabolisierender Bakterien bei der Verwitterung von hydrothermal verändertem, granitoiden Gestein in semiaridem Klima. Unter Anwendung geochemischer, mineralogischer und kultivierungsbasierter Methoden wurde festgestellt, dass zerklüftete und hydrothermal veränderte Zonen keine Hot Spots für mikrobielle Fe(III)-reduzierende Aktivität sind, sondern die mikrobielle Aktivität eher behindern. Um zu wachsen, benötigen Fe-metabolisierende Mikroorganismen höhere Konzentrationen an zugänglichem, bioverfügbarem Fe, unabhängig vom Grad der hydrothermalen Überprägung. Die Daten deuten darauf hin, dass Fe-metabolisierende Mikroorganismen wahrscheinlich nicht zur Verwitterung von Fe(II)-haltigen Silikatmineralen beitragen, sondern ihre Bedeutung in der reduktiven Auflösung von sekundären Fe(III)-(Oxyhydr)oxiden liegt. Die erfolgreiche Kultivierung einer robusten Fe(III)-reduzierenden Anreicherungskultur (Kultur SG) aus der tiefsten Verwitterungszone in 77 m Tiefe, die von dem sporenbildenden Taxon Desulfotomaculum ruminis dominiert wird, untermauert diese Aussage. Kultur SG ist in der Lage, Fe(III) und Sulfat unter Verwendung von Laktat oder Wasserstoff zu reduzieren. Daher besteht die Möglichkeit einer durch mikrobielle Sulfatreduktion angetriebenen Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden die Einflussfaktoren der mikrobiellen Verwitterung von Fe-haltigen Minerale entlang des Klimagradienten untersucht. Geochemische und petrophysikalische Daten werden mit statistischen Daten kombiniert, um die Orte potenzieller mikrobieller In situ-Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen innerhalb der vier Verwitterungsprofile zu ermitteln. Die vier Feldstandorte sind durch eine Zunahme der Niederschläge von Norden nach Süden gekennzeichnet. Das Grundgestein der untersuchten Standorte unterscheidet sich jedoch in Bezug auf die Frakturierung und hydrothermale Alteration. Die beiden nördlichen Feldstandorte (PdA und SG) sind durch eine hohe Bruchintensität, hydrothermale Alteration und hohe Konzentrationen anorganischen Kohlenstoffs (IC) gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu zeigen die Verwitterungsprofile der beiden südlichen Feldstandorte (LC und NA) eine geringe Bruchintensität, keine hydrothermale Alteration und niedrige IC-Konzentrationen. Wir stellten fest, dass die Menge an extrahierbarem, adsorbiertem und kristallinem Fe mit der Tiefe in LC und NA zunimmt. Außerdem wurde festgestellt, dass hohe Fe(II)/Fe(tot)-Verhältnisse positiv mit Zonen geringer und mittlerer Bruchintensität korrelieren. An allen vier Standorten wurden Brüche als Orte identifiziert, an denen mehr gering kristalline Fe-haltige Minerale im Vergleich zu nicht-frakturierten Zonen vorkommen. Schließlich gibt es in SG, LC und NA weniger bioverfügbaren organischen Kohlenstoff in Frakturen im Vergleich zu nicht geklüfteten Zonen, während in PdA das Gegenteil der Fall ist. Kurz gesagt, die höchste Wahrscheinlichkeit einer mikrobiellen In situ-Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen ist mit offenen Frakturen verbunden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit unser Wissen über die Rolle von Fe-metabolisierenden Bakterien bei der Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen erweitert hat. Sie unterstreicht, dass wir derzeit unterschätzen, wie wichtig und weit verbreitet die mikrobielle Verwitterung sein kann. Die Untersuchung eines hydrothermal veränderten Granitoid-Verwitterungsprofils in semiaridem Klima zeigte, dass Fe-metabolisierende Mikroorganismen eher für die reduktive Auflösung sekundärer Fe(III)-(Oxyhydr)oxide wichtig sind, aber wahrscheinlich nicht zur Verwitterung von Fe(II)-haltigen Silikatmineralen beitragen. Entlang des Klimagradienten wurde festgestellt, dass offene Klüfte die höchste Wahrscheinlichkeit aufweisen, aktive Fe-metabolisierende Mikroorganismen zu beherbergen. Das komplexe Zusammenspiel von Mineralen, Geochemie, Kluftbildung, hydrothermaler Umwandlung und Wasserversorgung mit Mikroben macht deutlich, dass mehr interdisziplinäre Forschung notwendig ist, um ein tieferes Verständnis der mikrobiellen Verwitterungsprozesse im tiefen Untergrund zu erlangen.

Author

• Schwerdhelm, Christopher

Identifier

hdl:10900/181091

OAI record oai:identifier

https://publikationen.uni-tuebingen.de/oai/request?verb=GetRecord&metadataPrefix=mets&identifier=oai%3Apublikationen.uni-tuebingen.de%3A10900%2F181091