Fluid venting structures of terrestrial mud volcanoes (Italy) and marine cold seeps (Black Sea) -Organo-geochemical and biological approaches
Fluid-ausstoßende Strukturen der terrestrischen Schlammvulkane (Italien) und der marinen Cold Seeps (Schwarzes Meer) -Organo-geochemische und biologische Ansätze
by Christina Heller
Date of Examination:2011-10-28
Date of issue:2012-03-06
Advisor:Prof. Dr. Joachim Reitner
Referee:Prof. Dr. Joachim Reitner
Referee:Prof. Dr. Volker Thiel
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Format:PDF
Description:Kumulative Dissertation
Abstract
English
Two different fluid venting structures, marine cold seeps of the Black Sea and terrestrial mud volcanoes of Italy, were part of this thesis. Both were formed by the expulsion of water, mud and gases, which consist mainly of methane and higher hydrocarbons. The methane gas acts as substrate for various microorganisms, which perform, amongst other, the anaerobic oxidation of methane (AOM). The AOM is one key process of the methane consumption in the oceans worldwide. According to phylogenetic and metagenomic analyses, the AOM is mediated by consortia of anaerobic methane oxidizing archaea (ANME) and sulfate reducing bacteria (SRB). To get a deeper insight into the methanotrophic consortia, microbial mats of the Black Sea were used to assign one of the specific key enzymes of the methanogenesis to the AOM-performing microorganism. By using a specific antibody as marker, the metabolic activity of one part of the syntrophic partners could be identified. The key enzyme methyl coenzyme M reductase (MCR) of the (reverse) methanogenic pathway was detected on cellular and sub-cellular level in the ANME cells. The study confirms the assumption of the reversed methanogenic pathway for the anaerobic oxidation of methane. Furthermore, trace element concentrations were measured in the microbial mats and the methane derived carbonates of the Black Sea to test if nickel could be a geochemical indicator for the anaerobic oxidation of methane or for methanogenesis. Nickel is part of the MCR cofactor F430 and the iron sulfide greigite (Fe3S4), which can be found in the microbial mats of the Black Sea. The results have shown that Ni together with stable carbon isotopic ratios could act as a geochemical tracer for methanogenesis or the anaerobic oxidation of methane in both recent and fossil environments. The second part of my thesis deals with the terrestrial mud volcanoes in Italy. Fluids expelled from this type of fluid venting structures were analyzed organo-geochemically (lipid biomarkers) and geochemically (composition of water and gas). In general, mud volcanoes also release a three phase mixture of gas (mainly methane and higher hydrocarbons), water and sediment particles from a source that is often associated with an active petroleum reservoir. Organo-chemical analyzes of the expelled fluids revealed that the biological signals are superimposed by higher hydrocarbons originating from associated active petroleum reservoirs and the underlying organic-rich geological formations. However, signals of various eukaryal, bacterial and archaeal organisms in the mud volcanoes were also found. In addition to signals from higher plants, most likely originated from the surrounding flora and soils, specific bacterial dialkyl glycerol diethers (DAGE) were found which are putatively sourced by sulfate-reducing bacteria (SRB). The presence of archaea is evidenced by archaeol and hydroxyarchaeol. The latter is indicative for the anaerobic oxidation of methane. The results have shown that the complexity of microbial communities in the different mud volcanoes is very high and that some of the microorganisms were involved in the anaerobic turnover of methane. Furthermore, analyzes of sediments from the underlying geological formations have shown that most of the biomarker signals found in the fluids derived from the sediments. Therefore, mud volcanoes could act as a window in the deep bio- and geosphere as well as into in situ microbial processes.
Keywords: Biomarker; Immunodetection; mud volcanoes; microbial mats; cold seeps; stable carbon isotopes; Black Sea
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Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit zwei unterschiedlichen Fluid-ausstoßende Strukturen, zum einen den marine Cold Seeps aus dem Schwarzen Meer und zum anderen terrestrische Schlammvulkane aus Italien. Beide Strukturen werden durch den Ausstoß von Wasser, Schlamm und Gas, wobei vor allem Methan und höhere Kohlenwasserstoffe zu nennen sind, charakterisiert. Das Methan agiert dabei als Substrat für eine Vielzahl von Mikroorganismen, die unter anderem einen Prozess ausführen, der sich anaerobe Methanoxidation (AOM) nennt. Dieser Prozess ist der Schlüsselprozess des marinen Methankonsums weltweit. Laut phylogenetischen und metagenomischen Analysen wird die AOM von Konsortien bestehend aus anaerob Methan-oxidierenden Archaeen (ANME) und Sulfat-reduzierenden Bakterien (SRB) katalysiert. Um einen tieferen Einblick in die Funktionsweise der methanotrophen Konsortien zu erlangen, wurden mikrobielle Matten aus dem Schwarzen Meer genutzt, um den AOM-ausführenden Mikroorganismen ein spezifisches Enzym der Methanogenese zuzuordnen. Unter Verwendung eines spezifischen Antikörpers als Marker konnte so die metabolische Aktivität eines der syntrophischen Partner identifiziert werden. Das Schlüsselenzym Methyl Koenzym M Reduktase (MCR) des (revers) methanogenen Stoffwechselweges konnte so auf zellularer und sub-zellularer Ebene in den ANME-Zellen identifiziert werden. Diese Studie bestätigt die Annahme, dass es sich bei der anaeroben Methanoxidation um einen revers methanogenen Stoffwechselweg handelt. Weiterhin wurden Spurenelementanalysen an den mikrobiellen Matten und den damit in Verbindung stehenden Methan-assoziierten Karbonaten des Schwarzen Meeres durchgeführt, um so die Frage zu klären, ob Nickel als geochemischer Indikator für die AOM bzw. Methanogenese geeignet ist. Nickel ist ein Bestandteil des MCR Kofaktors F430 und des Eisensulfids Greigit (Fe3S4), welche sich beide in den mikrobiellen Matten des Schwarzen Meeres finden lassen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Nickelgehalte im Zusammenspiel m it stabilen Kohlenstoffwerten durchaus als geochemischer Indikator für die AOM oder die Methanogenese sowohl in rezenten als auch in fossilen Proben eignet. Der zweite Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit den terrestrischen Schlammvulkanen Italiens. Die Fluide dieses Typs von Fluid-ausstoßenden Strukturen wurden organo-geochemisch (Lipid Biomarker) und geochemisch (Zusammensetzung der wässrigen Phase und des Gases) untersucht. Die austretenden Fluide, ein 3-Phasen-Gemisch aus Gas (hauptsächlich Methan und höhere Kohlenwasserstoffe), Wasser und Sedimentpartikeln, stammen aus Fluidreservoiren, welche oftmals mit einem aktiven Petroleumreservoir assoziiert sind. Organo-geochemische Analysen an den Fluiden zeigen, dass die biologischen Signale durch die der höheren Kohlenwasserstoffe aus den assoziierten Petroleumreservoiren und den unterliegenden Organik-reichen geologischen Formationen, überlagert werden. Es finden sich jedoch auch Signale einer Vielzahl von Eukaryoten, Bakterien und Archaeen. Neben typischen Signalen höherer Pflanzen aus der umgebenden Flora und den Böden, wurden auch spezifische bakterielle Dialkyl Glycerol Diether (DAGE) gefunden, welche vermutlich von Sulfat-reduzierenden Bakterien (SRB) stammen. Das Auftreten von Archaeol und Hydroxyarchaeol beweist das Vorhandensein von Archaeen, wobei letzteres ein Hinweis auf die AOM liefert. Die Ergebnisse haben ebenfalls gezeigt, dass die Komplexität der mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Schlammvulkanen sehr hoch ist, und dass einige der gefundenen Mikroorganismen am anaeroben Abbau von Methan beteiligt sind. Die Analyse der Sedimente aus den unterliegenden geologischen Formationen zeigt, dass ein Großteil der gefundenen Biomarker Signale in den Fluiden aus diesen Sedimenten stammt. Damit eignen sich Schlammvulkane sowohl als ein Fenster in die Bio- und Geosphäre als auch für das Auffinden von in situ ablaufenden mikrobiellen Prozessen.
Schlagwörter: Biomarker; Immunodetektion; Schlammvulkane; mikrobielle Matten; cold seeps; stabile Kohlenstoffisotope; Schwarzes Meer