An integrated approach to the study of biosignatures in mineralizing biofilms and microbial mats

Abstract

In der vorliegenden Doktorarbeit wurden Biomarker, Biomineralisationsprozesse und Seltene Erd- und Spurenelement-Verteilungsmuster (TREE) ermittelt und als Biosignatur an rezenten und fossilen Milieus getestet. Um Einschränkungen bezüglich konventioneller Biomarker-Analyse-Verfahren zu überwinden, wurde ein umfassender analytischer Ansatz vorgenommen, um die Detektion und die lateral aufgelöste Visualisierung von Biomarkern an der selben Probe durchführen zu können, ohne die Probe dabei zu zerstören. In einer Pilotstudie ermöglichte ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie) die simultane Analyse von charakteristischen Archaeen- Biomarkern in kalzifizierenden mikrobiellen Matten aus dem Schwarzen Meer. ToF-SIMS hat ein sehr gutes Potential zur Molekül- Detektion, Identifikation und Visualisierung in mikroskopischer Auflösung. Da aber diese Methode noch am Anfang im Bezug auf organische Biomarker steht, sind weitere Untersuchungen der Nutzungsmöglichkeiten und Grenzen erforderlich. Um den Bereich der Biomarker-Referenz-Standards zu erweitern, wurden ToF-SIMS Spektren von ausgewählten Glycerolipiden gemessen, um die Bildung von Molekular-Ionen und charakteristischen Fragmenten im Detail zu untersuchen. Basierend auf den Referenzdaten war es möglich Lipide (Diglyceride und Phosphatidylglycerol) in mikroskopischen Schnitten von mikrobiellen Matten von Methankarbonaten aus dem Schwarzen Meer, sowie von Gallionella ferruginea dominierten Eisen-Oxidierenden mi! krobiellen Matten aus dem Äspö Hard Rock Laboratory (HRL) zu identifizieren. G. ferruginea Matten wurden auch untersucht im Bezug auf Biomineralisationsprozesse und daraus resultierende TREE Fraktionierungsmuster als potentielle Biosignaturen für die mikrobiell induzierte Bildung von Eisenhydroxiden. Für diesen Zweck wurden Durchfluss-Reaktoren in einem Langzeit-Experiment im Äspö HRL installiert. Biomineralisationsprozesse und begleitende TREE Akkumulationen während des Wachstums und des Alterns der mikrobiellen Matten zeigten unterschiedliche Bildungen von Biomineralen und eine massive bis zu 106 fache Anreicherung einzelner Metalle. In einem dritten Experiment wurde ein umfassender analytischer Ansatz zur Detektion von Biosignaturen in ~1,8 Ga alten Äspö Dioriten ermöglichte die Rekonstruktion und die ganzheitliche Einsicht in sehr alte Umweltprozesse, die in der kontinentalen Tiefen Biosphäre stattfanden. ToF-SIMS, CRM (Confocal Raman Microscopy), LA-ICP-MS (Laser Ablation-Induktive gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie), sowie Mikrosonden und Isotopen-Messungen wurden an zwei 5 mm dicken gegenüberliegenden Gesteins-Schnitten, d.h. an einer sehr kleinen Probenmenge, durchgeführt, wodurch vier verschiedene Kluftmineral-Generationen identifiziert werden konnten. Eine dieser Kluftfüllungen, eine Organik-reiche amorphe Lage beinhaltete zahlreiche funktionalisierte organische Moleküle und die Anreicherung und Fraktionierung von bestimmten TREE und wurde daher als fossilisierter Biofilm interpretiert. Die Biofilmbildung wurde höchstwahrscheinlich durch die glazial bedingte Kluftreaktivierung und dur! ch das Eindringen von Schmelzwässern bis in 450 m Tiefe induziert. Durch weitere Kluftmineralbildungen wurde die mikrobielle Aktivität beendet und der Biofilm in der Tiefe eingeschlossen. Der umfassende Ansatz der in dieser Arbeit verwendet wurde, führte zu einer erfolgreichen Aufstellung von spezifischen Biosignaturen und Werkzeugen für die Untersuchung von mineralisierenden mikrobiellen Matten und deren Interaktion mit der Umwelt. Die in dieser Arbeit angewandten Techniken können für die weitere Zuordnung von Biosignaturen in rezenten Systemen zu ihren fossilen Gegenstücken hilfreich sein, und so auch zu frühen komplexen Formen des Lebens. Vermutlich werden hochauflösende Techniken wie ToF-SIMS und CRM an Bedeutung zunehmen, nicht nur in der Geobiologie, sondern auch in allen Bereichen der Naturwissenschaften, wo auch immer die Detektion und präzise Lokalisierung von organischen Verbindungen in Umweltproben erforderlich ist.