Microbial Communities in the Terrestrial Subsurface

by Lucas Horstmann
Cumulative thesis
Date of Examination:2024-10-15
Date of issue:2025-01-23
Advisor:Prof. Dr. Thomas Friedl
Referee:Prof. Dr. Dirk Wagner
Referee:Prof. Dr. Thomas Scholten
Referee:PD Dr. Michael Hoppert
Referee:Prof. Dr. Rolf Daniel
Referee:Prof. Dr. Jan-Peter Duda
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11024

 

 

Files in this item

Name:Dissertation_LucasHorstmann_no signature.pdf
Size:7.01Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

Terrestrial subsurface habitats represent a significant portion of Earth's prokaryotic biomass. However, our understanding of microbial diversity and functions in these environments, particularly in arid regions, remains limited. Using 16S rRNA gene sequencing and metagenomic analyses, this thesis explores the microbial communities in the deeper subsurface of Chile's Coastal Cordillera. Focusing on two distinct geological settings within the Atacama Desert — the salt-containing sediments of a hyperarid basin in Yungay and the granitic bedrock beneath the arid hillslope of Pan de Azúcar — the research presented here provides the first assessment of microbial biodiversity in arid subsurface environments. Additionally, by comparing the microbial composition and ecology of the arid sites to subsurface communities from the humid environment of Nahuelbuta, characteristic traits of the arid deep biosphere were identified. The findings revealed distinct arid subsurface communities influenced by geological factors. In Yungay, an established desert soil community composed of specialized Actinobacteriota, which were buried over the last 19,000 years, was observed. This community probably persisted by gaining water from the gypsum content of the sediments, combined with the communities' mixotrophic capacities which were initially acquired to adapt to desiccation conditions in desert surface environments. In Pan de Azúcar, Proteobacteria-dominated community composition is mainly controlled by igneous deep biosphere dynamics, including the granitic bedrock lithology, and the nutrient supply and colonization pattern determined by fractures. Comparing these communities to the humid bedrock communities in Nahuelbuta highlighted the role of isolation in shaping arid subsurface ecosystems, with chemolithoautotrophic and mixotrophic taxa in Yungay and Pan de Azúcar sustaining life in nutrient-limited conditions just meters below the surface in contrast to the humid deep biosphere in Nahuelbuta. The application of an improved iDNA extraction method demonstrated its potential for characterizing living microbial communities in low biomass environments, especially desert environments. Furthermore, applying an EDTA-containing buffer from the improved iDNA method enabled the molecular assessment of iron-rich granite samples recovered from the deep biosphere. This offered a more thorough characterization of these environments than previous investigations, which are mostly based on the molecular analysis of fracture fluids and groundwater. These findings show that highly adapted microorganisms can inhabit arid subsurface environments down to a depth of at least 55 m. This extends our understanding of microbial diversity and ecological dynamics not only of the terrestrial deep biosphere but also arid environments. The finding of these two arid subsurface niches emphasizes the need for further studies investigating the microbial composition of deeper arid environments for a comprehensive assessment of arid subsurface biodiversity. Furthermore, the findings highlight the importance and potential of refining DNA extraction methods to enhance the exploration of challenging oligotrophic, desert, and deep biosphere environments.
Keywords: Terrestrial Subsurface; Microbial Diversity; Desert environments; Chemolithoautotrophy; Deep Biosphere; Rock weathering; Gypsum

German

Lebensräume in der terrestrischen Tiefenbiosphäre stellen einen bedeutenden Teil der prokaryotischen Biomasse der Erde dar. Unser Wissen über die mikrobielle Vielfalt und Funktionen in diesen unterirdischen Lebensräumen, insbesondere in ariden Regionen, ist jedoch nach wie vor begrenzt. Mithilfe von 16S rRNA-Gen-Sequenzierung und Metagenom-Analyse werden in dieser Arbeit erstmals die mikrobiellen Gemeinschaften im tieferen Untergrund der chilenischen Küstenkordilleren untersucht. Mit der Analyse von zwei unterschiedlichen geologischen Systemen in der Atacama-Wüste – den salzhaltigen Sedimenten eines hyperariden Beckens in Yungay und dem granitischen Grundgestein unter den ariden Hügeln von Pan de Azúcar – liefert diese Arbeit die erste Untersuchung der mikrobiellen Biodiversität in tiefen ariden Habitaten. Durch den Vergleich der mikrobiellen Zusammensetzung und Ökologie dieser beiden ariden Standorte mit den unterirdischen Gemeinschaften in der humiden Umgebung von Nahuelbuta konnten darüber hinaus charakteristische Merkmale der ariden Tiefenbiosphäre ermittelt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lebensgemeinschaften im ariden Untergrund durch geologische Faktoren beeinflusst werden. In Yungay wurde eine etablierte Wüstenbodengemeinschaft beobachtet: Sie setzt sich aus spezialisierten Actinobacteriota zusammen, die in den letzten 19.000 Jahren von überlagernden Playa-Sedimenten zunehmend von der Oberfläche isoliert wurden. Diese Gemeinschaft überlebte wahrscheinlich durch die Aufnahme von Wasser aus dem Gipsgehalt der Sedimente in Kombination mit ihren mixotrophen Fähigkeiten, die ursprünglich als Anpassung an lange Austrocknungsbedingungen in der Wüstenoberfläche erworben wurden. In Pan de Azúcar wird die Zusammensetzung der von Proteobakterien dominierten Gemeinschaft hauptsächlich durch bekannte Einflüsse der tiefen Biosphäre in magmatischen Systemen gesteuert. Das schließt die Lithologie des granitischen Grundgesteins sowie die Nährstoffversorgung und mikrobielle Besiedlung der Untergrundhabitate, die maßgeblich durch tektonische Brüche bestimmt werden, ein. Ein Vergleich dieser Lebensgemeinschaften mit den humiden Gemeinschaften im Grundgestein von Nahuelbuta verdeutlicht die Rolle der Isolation für Untergrund-Ökosysteme in ariden Umgebungen, die durch nährstoffarme Bedingungen geprägt sind. Das zeigt sich dadurch, dass im Gegensatz zur humiden Tiefenbiosphäre in Nahuelbuta die mikrobiellen Gemeinschaften in Yungay und Pan de Azúcar chemolithoautotrophe und mixotrophe Organismen vorwiesen. Trotz der Schwierigkeiten, die sich bei der Extraktion von Proben aus dem granitischen Grundgestein ergaben, zeigt die Anwendung der optimierten iDNA-Extraktionsmethode ein hohes Potenzial zur Charakterisierung lebender mikrobieller Gemeinschaften in Umgebungen mit geringer Biomasse, insbesondere für die Charakterisierung von Wüstengebieten. Darüber hinaus ermöglichte die Anwendung des EDTA-haltigen Puffers, der in der verbesserten iDNA-Methode angewendet wurde, die erfolgreiche Extrahierung von Gesamt-DNA aus eisenreichen Granitproben aus der Tiefenbiosphäre. Auf diese Weise wird eine vollständige Charakterisierung von Habitaten in der Tiefenbiosphäre im Vergleich zu früheren Untersuchungen möglich, die sich hauptsächlich auf die molekulare Analyse von Bruch- Fluiden und Grundwasser stützten. Die Ergebnisse zeigen, dass extrem angepasste Mikroorganismen in der Lage sind, trockene unterirdische Habitate bis in eine Tiefe von mindestens 55 m zu bewohnen. Dies erweitert unser Verständnis der mikrobiellen Vielfalt und ökologischen Prozesse nicht nur in der terrestrischen Tiefenbiosphäre, sondern auch in ariden Umgebungen. Die unabhängige Entdeckung dieser beiden Nischen im ariden Untergrund unterstreicht die Notwendigkeit von weiterführenden Studien zur Untersuchung von mikrobiellem Leben in tieferen ariden Habitaten, um ein vollständiges Bild der Biodiversität im ariden Untergrund zu erhalten. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse die Bedeutung der Optimierung von DNA- Extraktionsmethoden, um die Erforschung anspruchsvoller oligotropher Wüsten- und Tiefenbiosphäre-Ökosysteme zu verbessern.
 
Statistik