Zweijahresbericht 2004/2005 - Bibliothek - GFZ

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grund – insbesondere in Leg 201 Sedimenten – für eine
erhöhte Abbauresistenz.
Um diese mikrobiellen Lipidmuster in Sedimenten besser
nachvollziehen zu können, wurde die Anpassung an hohe
Drücke, Temperaturen und Substratwechsel, die sich in der
molekularen Zusammensetzung der mikrobiellen chemischen
Zellkomponenten widerspiegelt, an verschiedenen
Kulturen untersucht. Insgesamt bewirkten all diese Änderungen
der Umgebungsbedingungen deutliche Variationen
in den Kopfgruppen der Phospholipide und z. T. auch
in den Fettsäureseitenketten (Mangelsdorf et al., 2005).
Diese neuen Erkenntnisse haben verdeutlicht, wie flexibel
Mikroorganismen auf einen Wechsel in ihrem (extremen)
Lebensraum reagieren können (Abb. 4.87).
Die Nahrungsgrundlagen für mikrobielles Leben
in tiefen terrestrischen Systemen
Die in den letzten Jahren gewachsene Erkenntnis, dass
mikrobielles Leben tief unterhalb der Erdoberfläche existiert
(Parkes et al., 2000; Pedersen, 2000), führte zu einer
völlig neuen Sichtweise darauf, wie tief und unter welchen
Bedingungen Leben auf der Erde möglich ist. Eine der
entscheidenden Fragen in diesem relativ neuen Wissenschaftsfeld
ist, wie mikrobielles Leben in solch tiefen und
alten Formationen überleben kann. Es wird angenommen,
dass eine fermentative Umwandlung des in die Sedimente
eingebetteten organischen Materials durch die Mikroben
selbst zur kontinuierlichen Freisetzung von Nährstoffen
führt. Eine weitere Quelle könnte allerdings auch die
thermische Reifung des organischen Materials sein. Denn
es ist bekannt, dass dabei potentielle Substrate – wie Wasserstoff,
Kohlendioxid, Methanol, und Acetat – freigesetzt
werden, was den Ablauf von autotrophen Reaktionen wie
der Methanogenese und der Acetogenese ermöglicht und
damit eine Kopplung zwischen geologischen und biologischen
Prozessen bedeuten würde.
Die DEBITS (Deep Biosphere in Terrestrial Systems)-
Bohrung auf Neuseeland (Abb. 4.88) bietet die Möglichkeit,
derartige Prozesse zu untersuchen. Der erbohrte Kern
umfasst eine Sedimentabfolge von mehreren Lagen, die
reich an organischem Material unterschiedlicher Reife
sind, eingebettet in Ton-, Silt- und Sandschichten. Die an
organischen Stoffen reichen Lagen dienen dabei vermutlich
als potentielle substratliefernde Schichten, während
die grobkörnigeren Ton-, Silt- und Sandschichten potentielle
Lebensräume für die Mikroben darstellen. Darüber
hinaus werden Proben einer vollständigen Reifesequenz
(Torfe bis reife Braunkohlen) aus verschiedenen neuseeländischen
Becken untersucht, um den Einfluss der Fazies
auf die Reife zu untersuchen und um das Substratpotential
dieser Kohlen mit steigender Reife abzuschätzen.
Ziele der DEBITS-Studie sind zum einen die Charakterisierung
des Lebensraums von tiefen mikrobiellen Populationen
vor dem Hintergrund unterschiedlicher Sedimentlithologien
mit variablen Gehalten an organischem
Kohlenstoff (potentielle Substratfreisetzung) und zum
anderen die Entwicklung eines Bohrverfahrens im terres-
trischen Bereich zur Erbohrung von möglichst kontaminationsfreiem
oder zumindest kontaminationskontrolliertem
Kernmaterial für biogeochemische Untersuchungen.
Eine der Grundvoraussetzung biogeochemischer Untersuchungen
ist, dass das Kernmaterial tiefer gelegener
Sedimentabschnitte frei von mikrobieller Oberflächenkontamination
ist. Die angewandten Bohrverfahren im terrestrischen
Bereich (hier das Rotationsbohrverfahren)
stellen dabei eine besondere Herausforderung dar. Um die
Eindringtiefe der Bohrflüssigkeit in das Kernmaterial und
damit die potentielle Kontamination mit Mikroorganismen
von der Oberfläche zu dokumentieren, wurden der
Bohrspülung vor Beginn und kontinuierlich während der
Bohrung fluoreszierende Mikropartikel (in der Größe von
Mikroorganismen 0,5µm) beigefügt. Nach Gewinnung
des Kernmaterials wurden Proben von der äußeren und
inneren Kernsektion genommen und unter dem Fluoreszenzmikroskop
hinsichtlich ihrer Mikropartikelkontamination
untersucht. Die mikroskopischen Untersuchungen
ergaben eine variable Abfolge von kontaminierten und
nicht kontaminierten Kernabschnitten, scheinbar unabhängig
von der Sedimentlithologie. Dennoch ermöglichte
das entwickelte Bohrverfahren die Gewinnung vieler
unkontaminierter Kernabschnitte, die dann für die weiteren
mikrobiologischen und biogeochemischen Untersuchungen
herangezogen werden konnten.
Die molekular organisch-geochemische Analyse der Kohlen
aus der Reifesequenz haben anhand der Biomarkerverteilung
bisher ergeben, dass die verschiedenen Beckenfazies
sehr großen Einfluss auf das organische Ausgangsmaterial
haben und somit auch auf das Substrat-Potential
für Mikroorganismen. Insbesondere der in den neuseeländischen
Kohlen z. T. hohe Anteil an aromatischen Biomarkern
und mit zunehmender Reife an generierten Aromaten
wird als potentielle Wasserstoffquelle für bestimmte
Mikroorganismen interpretiert.
Zur Detektierung von lebenden Mikroorganismen in den
tieferen Zonen der DEBITS-Bohrung werden spezifische
Biomarker, die so genannten Phospholipide verwendet, die
nur in lebenden Organismen über längere Zeiträume stabil
sind. Die Lipiduntersuchung ausgewählter Übergänge von
Lagen, reich an organischem Material, zu grobkörnigeren
Ton-, Silt- und Sandschichten lassen vermuten, dass die
Mikroben das klastische Material nahe der Schichten mit
organischem Material (potentielle Substratlieferanten) als
Lebensraum bevorzugen. Eine Erklärung für diese Beobachtung
könnte der größere Porenraum in diesen Lithologien
sein, der metabolische Austauschprozesse der Mikroorganismen
im Porenwasser erlaubt. Die Nähe zu den
Schichten, die reich an organischem Material sind, weist
dabei auf eine Substratfreisetzung aus diesen Schichten in
die angrenzenden Lagen hin (Beispiel siehe Abb. 4.88).
Mechanismen und Effekte des biologischen Erdölabbaus
Biologischer Abbau von Kohlenwasserstoffen in Erdölund
Erdgaslagerstätten ist ein weit verbreitetes Phänomen
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