Lipid biomarkers of microbial communities involved in carbon dioxide and methane cycling at volcanic CO_1tn2 vents [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Birte I. Oppermann

Sebastian Cäsar

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• Publié par: universitat_hamburg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 21
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Lipid biomarkers of microbial communities involved in
carbon dioxide and methane cycling at volcanic CO vents 2


Dissertation

Zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften im Department
Geowissenschaften der Universität Hamburg
vorgelegt von

Birte I. Oppermann

aus
Hamburg











Hamburg
November 2010





Als Dissertation angenommen vom Department Geowissenschaften der
Universität Hamburg
Auf Grund der Gutachten von Prof. Dr. Walter Michaelis
Prof. Dr. Kay-Christian Emeis

Tag der Disputation 28.01.2011






















Prof. Dr. Jürgen Oßenbrügge
Leiter des Department Geowissenschaften






































Vorwort und Zielsetzung

Die Abtrennung und geologische Speicherung von CO stellt eine Möglichkeit zur 2
Reduktion der anthropogenen CO Emission dar. Eine Speicherung in salinen 2
Aquiferen und ausgebeuteten Gas- und Ölreservoirs ist bereits technisch machbar.
Aber vor der Anwendung dieser Technologie ist es notwendig, die Folgen von CO -2
Leckagen aus dem Speicher in die oberflächennahe Umwelt zu bewerten. Natürliche
Analoge helfen dabei, die Folgen solcher Leckagen einzuschätzen. So wurden für
diese Studie zwei vulkanische CO Austritte als natürliche Labore zur Untersuchung 2
der Auswirkungen von CO induzierten Umweltveränderungen auf das mikrobielle 2
Leben genutzt.
CO ist das wichtigste Treibhausgas des anthropogen bedingten Klimawandels und 2
hat schon bei vorangegangenen Klimaveränderungen eine essentielle Rolle gespielt.
Zusätzlich zu den anthropogenen Emissionen haben sowohl die mikrobielle
Produktion, als auch der mikrobielle Abbau von CO einen signifikanten Einfluss auf 2
die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre. In früheren geologischen
Zeitabschnitten sind mikrobielle Prozesse von wesentlich größerer Bedeutung für die
Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre gewesen; während des
Präkambriums waren sie sogar die dominierenden biologischen Prozesse. Doch es
bestehen weiterhin große Wissenslücken bezüglich der Art und Eigenschaften CO 2
verbrauchender und hierbei insbesondere der anaeroben Mikroorganismen. Im
Zusammenhang mit der Erforschung des Klimawandels sind die Mikroorganismen
des CH -Keislaufes von besonderem Interesse. Die autotrophen, methanogenen 4
Mikroorganismen konsumieren CO und produzieren das als Treibhausgas 25-fach 2
effektivere CH . Methanotrophe Mikroorganismen wiederum verbrauchen CH und 4 4
produzieren CO . Der CO - und der CH -Kreislauf sind demzufolge eng miteinander 2 2 4
verbunden. Über die beteiligten Mikroorganismen, speziell in anaeroben,
terrestrischen Habitaten, ist allerdings wenig bekannt. Deshalb wurden methanogene
Organismen die vulkanisches CO verbrauchen und methanotrophe Organismen die 2
den aus dem CO stammenden Kohlenstoff weiter verwerten, besonders intensiv 2
untersucht. Das lückenhafte Verständnis des mikrobiellen Kohlenstoff-Kreislaufs
macht eine präzise Vorhersage möglicher Folgen der anthropogenen Emissionen
von Treibhausgasen schwierig. Von großem Interesse sind daher die Auswirkungen
I
von CO induzierten Veränderungen der Umweltbedingungen (z. B. pH-Wert und 2
Nährstoffverfügbarkeit) auf Mikroorganismen.
Physiologie und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaften an diesen natürlichen
Gasaustritten wurden mit Hilfe von Lipidbiomarkern ermittelt. Um die
Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften mit Hilfe von Lipidbiomarkern
bestimmen zu können, ist es erforderlich genaue Kenntnisse über die Verteilung
potenzieller Biomarker in Organismen zu haben. Sulfat reduzierende Bakterien
profitieren von den Bedingungen an den untersuchten CO -Austritten. Sie sind eine 2
heterogene Gruppe, deren Mitglieder u.a. unterschiedlichste Kohlenstoffquellen
nutzen können. Um die Rolle der Sulfat reduzierenden Bakterien im
Kohlenstoffkreislauf der untersuchten Böden besser beurteilen zu können, wurden
verschiedene Spezies der Sulfat reduzierenden Bakterien auf ihre Lipidbiomarker
analysiert.
Das vulkanische CO ist im Verhältnis zu den anderen in den Böden vorhandenen 2
13Kohlenstoffquellen angereichert an dem Kohlenstoffisotop C. Diese Anreicherung
stellt eine natürliche Markierung dar, mit deren Hilfe die Aufnahme und
Weiterverwendung des CO-Kohlenstoffs in diesen komplexen mikrobiellen 2
Systemen nachvollzogen werden konnten. Die Untersuchung der Biomarker wurde
daher durch die Analyse ihrer stabilen Isotope ergänzt. Diese Kombination erbrachte
detaillierte Auskünfte über vitale mikrobielle Gruppen und den Kohlenstoffkreislauf an
den untersuchen CO -Austritten. 2
II
Preface and Objectives

The capture and geological storage of CO (carbon capture and storage, CCS) 2
presents an option for the reduction of greenhouse gas emissions. The storage in
saline aquifers or depleted gas and oil reservoirs is already technically feasible. But
before the employment of CCS, the consequences of CO leakages from the 2
reservoir to near surface environment need to be evaluated. Natural analogues are
useful to reveal the environmental impacts of such a leakage scenario. In this study,
two volcanic CO vents were chosen as natural laboratories to reveal the 2
consequences of CO induced environmental changes on microbial life. 2
CO is the most important greenhouse gas (GHG) of the anthropogenic climate 2
change, furthermore it played an essential role in past climate changes. Besides
anthropogenic emissions, the microbial production and consumption of CO have a 2
significant impact on GHG concentrations in the atmosphere. During earlier
geological periods, those microbial processes were of even higher importance for the
concentration of GHG in the atmosphere; during the Precambrian they were the
dominating biological processes. But gaps in knowledge concerning the nature and
characteristics of CO consuming microbial groups, especially in anaerobic 2
environments, still exist. A group of particular interest in the climate change related
research are microorganisms connected to the CH cycle. Autotrophic methanogenic 4
microorganisms consume CO and produce CH , a 25-times more effective GHG 2 4
than CO . Methanotrophic microorganisms, in turn, consume CH and return it to CO . 2 4 2
Hence, the CO and CH cycle are closely connected to each other. However, little is 2 4
known about the responsible microbial groups, especially in anaerobic terrestrial
environments. Hence, methanogenic organisms utilising volcanic CO and 2
methanotrophic organisms recycling this CO derived carbon, were studied in great 2
detail. The scarce understanding of the microbial carbon cycle is hindering precise
predictions about the consequences of anthropogenic GHG emissions. Additionally,
the influences that CO -induced changes on environmental parameters (e.g., pH and 2
nutrients availability) have on microbial communities are of special interest.
The physiology and activity of microbial communities at these natural gas vents were
studied with the help of lipid biomarker. But to be able to reveal the composition of
complex microbial communities with biomarker studies, it is necessary to possess
detailed knowledge on the distribution of potential biomarkers in organisms. Sulphate
III
reducing Bacteria benefit from the conditions at the studied CO vents. They are an 2
heterogenic group, whose members are capable of utilising a divers set of carbon
sources. To assess the role of sulphate reducing Bacteria within the carbon cycle of
the studied soils different species of the sulphate reducing Bacteria were examined
for their lipid biomarkers.
13The volcanic CO is enriched in the carbon isotope C relative to all other carbon 2
sources within the studied soils. This enrichment presents a natural labelling which
helps to trace uptake and recycling of CO carbon in these complex microbial 2
systems. Therefore, the lipid biomarker studies were complemented by the analyses
of their stable carbon isotopes. This combination yielded a detailed view on vital
microbial groups and carbon cycling in the studied CO vents. 2























IV
Table of content

1. Introduction 1
1.1. Carbon cycle and climate change 1
1.2. Carbon capture and storage 4
1.3. CO and CH in the biochemical carbon cycle 9 2 4
2. CO dominated environments 23 2
2.1. Sampling sites 24
3. Soil microbial community changes as a re