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Microbial Fe(II) oxidation [Elektronische Ressource] : cell-mineral interactions and implications for modern and ancient environments / vorgelegt von Florian Hegler

De
246 pages
Microbial Fe(II) oxidation:cell-mineral interactionsand implications for modern and ancient environmentsDissertationder Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultätder Eberhard Karls Universität Tübingenzur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften(Dr. rer. nat.)vorgelegt vonM.Sc. Florian Hegleraus TübingenTübingen2011Tag der mündlichen Qualifikation: 08.02.2011Dekan: Prof. Dr. Wolfgang Rosenstiel1. Berichterstatter: Prof. Dr. Andreas Kappler2. Berich Dr. Karim Benzerarai.42∗Ultimate answer to the ultimate question of life, the universe, and everything∗Douglas Adams, The Hitchhiker’s Guide to the GalaxyContentsList of Figures ixList of Tables xiii1 Summary 12 Zusammenfassung 33 Introduction 53.1 Iron in the environment and iron-metabolizing bacteria . . . . . . . . . . . . . . 53.1.1 Research questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.2 Cell-mineral interaction of Fe(II)-oxidizing bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.3 Iron-metabolizing bacteria at a chalybeate spring . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.4 Fe(II)-oxidizing bacteria on early earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.5 Laboratory techniques – cryopreservation of photoferrotrophs . . . . . . . . . . . 11Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Low pH-microenvironment around photoferrotrophs prevents cell encrustation 174.1 Abstract . . . . . . .
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Microbial Fe(II) oxidation:
cell-mineral interactions
and implications for modern and ancient environments
Dissertation
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Eberhard Karls Universität Tübingen
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
vorgelegt von
M.Sc. Florian Hegler
aus Tübingen
Tübingen
2011Tag der mündlichen Qualifikation: 08.02.2011
Dekan: Prof. Dr. Wolfgang Rosenstiel
1. Berichterstatter: Prof. Dr. Andreas Kappler
2. Berich Dr. Karim Benzerarai
.42
∗Ultimate answer to the ultimate question of life, the universe, and everything
∗Douglas Adams, The Hitchhiker’s Guide to the GalaxyContents
List of Figures ix
List of Tables xiii
1 Summary 1
2 Zusammenfassung 3
3 Introduction 5
3.1 Iron in the environment and iron-metabolizing bacteria . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1.1 Research questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.2 Cell-mineral interaction of Fe(II)-oxidizing bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.3 Iron-metabolizing bacteria at a chalybeate spring . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.4 Fe(II)-oxidizing bacteria on early earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.5 Laboratory techniques – cryopreservation of photoferrotrophs . . . . . . . . . . . 11
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Low pH-microenvironment around photoferrotrophs prevents cell encrustation 17
4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.3 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3.1 Medium, chemicals and growth conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3.2 Microscopic analysis of single cell pH-microenvironment . . . . . . . . . . 20
4.3.3 Electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3.4 Calculation of Fe(II) oxidation rate per cell . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3.5 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3.6 Calculation of Fe(III) solubility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3.7 of iron-cell-surface interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3.8 Calculation of the precipitation kinetics of Fe(III) . . . . . . . . . . . . 24ppt
4.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4.1 Absence of encrustation and establishment of a pH microenvironment
around phototrophic Fe(II)-oxidizing Thiodictyon sp. strain F4 cells . . . 24
iiiiv Contents
4.4.2 Effect of the pH microenvironment on sorption, precipitation and dissolu-
tion of Fe(III) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.3 Consequences of the cell pH-microenvironment for cell encrustation and
metalbindinginphotoferrotrophsandimplicationsforchemotrophicFe(II)-
oxidizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5 Cell surface properties of Fe(II)-oxidizing bacteria 33
5.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.1 Fe(III) minerals and Fe(II)-oxidizing bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.3 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.1 Growth of the strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.2 Mineral preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.3 Stock solutions for titrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.4 Titrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.5 Geochemical modeling with Geochemists Workbench . . . . . . . . . . . . 38
5.3.6 Determination of the isoelectric point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4.1 Cell surface titration results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4.2 Mineral properties: iep and modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.4.3 Implications of cell surface properties and mineral charge . . . . . . . . . 45
5.5 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6 Influence of pH on microbially produced Fe(III) minerals 51
6.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2.1 Iron mineralogy at circumneutral pH in the environment . . . . . . . . . . 52
6.2.2 Properties of biogenic iron minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2.3 Geochemical factors influencing mineral formation . . . . . . . . . . . . . 53
6.2.4 Bacterial Fe(II) oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2.5 Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3.1 Reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3.2 Medium and growth conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3.3 Sampling techniques and sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.3.4 Geochemical modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.3.5 Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Contents v
6.3.6 Mineral identification – Mössbauer spectroscopy and XRD . . . . . . . . . 56
6.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4.1 Growth of the bacteria and oxidation of Fe(II) . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4.2 Identification of the minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4.3 Solubility of Fe(III) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.4.4 Localization of the minerals to the cells and phosphate sorption to the
minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.4.5 Differences to previously published results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7 Extracellular Iron Biomineralization by Photoautotrophic Iron-Oxidizing Bacteria 69
7.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.1 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8 Formation of Cell-Iron-Mineral Aggregates 85
8.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.3 Methods and materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.3.1 Bacterial cultures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.3.2 Growth Medium and Cultivation Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.3.3 Sampling and Sample Preparation for Light and Electron Microscopy . . 88
8.3.4 Electron Microscopy Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.4.1 Association of Fe(II)-Oxidizing Cells with Fe(III) Minerals – Observations
Using Light Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.4.2 Localization of Fe(III) Minerals – Visualization by Scanning Electron
Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.4.3 Analysis of the Interior of Bulk Cell-Mineral Aggregates Using a Focused
Ion Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.4.4 Observation of Cell Internal Structures by (Scanning) Transmission Elec-
tron Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.5.1 Cell-Mineral Aggregate Formation and Cell Encrustation . . . . . . . . . 92
8.5.2 Mechanisms of Fe(II) Oxidation and Fe(III) Transport and Mineralization 96vi Contents
8.5.3 Implications of Iron Biomineralization on Biosignature Formation . . . . . 96
8.6 Conclusions and Possible Further Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9 Geomicrobiology of an iron-carbonate spring 103
9.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.3 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.3.1 Location of the spring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.3.2 Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.3.3 Geochemical analysis of water samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.3.4 Mineral analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9.3.5 Most probable number counting and Fe(III) reduction rates . . . . . . . . 107
9.3.6 Extraction and amplification of environmental DNA . . . . . . . . . . . . 107
9.3.7 Quantitative real-time PCR and data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9.3.8 Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) – preparation and analysis108
9.3.9 Clone library construction and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9.3.10 Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9.3.11 Geochemical modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9.4.1 Geochemistry and mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9.4.2 Bacterial cell counts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
9.4.3 Diversity and identification of the microorganisms . . . . . . . . . . . . . 115
9.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
9.5.1 Seasonal and geological controls of spring geochemistry . . . . . . . . . . 120
9.5.2 Fe(III) reduction at the field site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.5.3 Microbial community composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
10 Physiology of phototrophic iron(II)-oxidizing bacteria 137
10.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
10.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
10.3 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.3.1 Sources of microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.3.2 Media and growth conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.3.3 Analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.3.4 Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.3.5 Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142Contents vii
10.3.6 Identification of pigments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.4.1 Fe(II) oxidation by phototrophic Fe(II)-oxidizing bacteria . . . . . . . . . 142
10.4.2 Oxidation of dissolved Fe(II) and Fe(II) minerals by anoxygenic phototrophs144
10.4.3 Growth yields and oxidation rates per cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.4.4 Concentration dependence of Fe(II) oxidation rates . . . . . . . . . . . . . 144
10.4.5 Light dependence of Fe(II) oxidation rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.4.6 Temperature dependence of Fe(II) oxidation rates . . . . . . . . . . . . . 146
10.4.7 pH-dependence of Fe(II) oxidation rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.4.8 Carotenoids in phototrophic Fe(II)-oxidizing bacteria . . . . . . . . . . . 146
10.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10.5.1 Ecophysiology of anoxygenic phototrophic Fe(II)-oxidizers . . . . . . . . . 148
10.5.2 Adaptation to pH changes in the environment . . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.5.3 Consequences of light-dependence for habitat choice of phototrophic Fe(II)-
oxidizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.5.4 Oxidation of dissolved Fe(II) and relatively soluble Fe(II) minerals . . . . 150
10.5.5 Pigments in anoxygenic phototrophic Fe(II)-oxidizers . . . . . . . . . . . . 150
10.5.6 Potential role of anoxygenic Fe(II)-oxidizers on ancient earth 151
10.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
11 Trace metal dependence of “Rhodobacter ferrooxidans” strain SW2 157
11.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.2.1 Trace element requirements of cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.2.2 Trace element availability in the past . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.2.3 Banded iron formations and phototrophic Fe(II)-oxidizing bacteria . . . . 159
11.2.4 Trace metals – from the past until today . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.2.5 Geochemical modeling of trace metal sorption to Fe(III) minerals . . . . . 160
11.3 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
11.3.1 Medium, strains and growth conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
11.3.2 Data evaluation of growth experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
11.3.3 Quantification of trace elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
11.3.4 Geochemical modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
11.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
11.4.1 Concentrations of TE in media and stock solutions . . . . . . . . . . . . . 162
11.4.2 Growth of SW2 in medium lacking some TE . . . . . . . . . . . . . . . . 164
11.4.3 Growth of the “Rhodobacter ferrooxidans” strain sp. SW2 supplemented
with additional TE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165viii Contents
11.4.4 Geochemical modeling of the adsorption of TE to ferrihydrite . . . . . . . 167
11.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
12 Alternating Si and Fe deposition caused by temperature fluctuations in Precambrian oceans175
12.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
12.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
12.2.1 Temperature dependence of phototrophic Fe(II) oxidation . . . . . . . . . 177
12.2.2 Controls on Si mineral deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
12.2.3 Layering model of iron and silica mineral precipitation . . . . . . . . . . . 183
12.2.4 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
13 Cryopreservation of anoxygenic phototrophic Fe(II)-oxidizing bacteria 191
13.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
13.2 Methods, Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
14 Conclusion and Outlook 197
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
14.1 Curriculum vitæ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
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