Influence of fluids from the ocean crust on growth and activity of deep-biosphere populations (IODP Leg 301)

• Applicant: Privatdozent Dr. Bert Engelen
• Subject Area: Palaeontology ; Mineralogy, Petrology and Geochemistry
• Term: from 2005 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 12877747

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Bei hydrothermalen Fluiden handelt es sich um Meerwasser, das innerhalb der porösen ozeanischen Kruste zirkuliert. Obwohl sie durch mikrobielle und physikalische Prozesse in ihrer chemischen Zusammensetzung verändert sind, enthalten sie dennoch Elektronenakzeptoren, die für mikrobielle Atmung notwendig sind. Um die Bedeutung dieser Fluide als Antrieb für die marine Tiefe Biosphäre zu untersuchen, wurden Sedimente eines Standorts analysiert (lODP Site U1301), an dem sulfathaltige Fluide aus dem Basalt in die darüberliegenden Schichten diffundieren. Wir konnten zeigen, dass dies zu einer Erhöhung der Zellzahlen, Sulfatreduktionsraten und Exoenzymaktivitäten in den Fluid-beeinflussten Schichten führt. Desweiteren haben wir mehrere Sulfatreduzierer aus Proben isoliert, die nahe der Sediment-Basalt Übergangszone gewonnen wurden (250-260 mbsf). Der nächste kultivierte Verwandte eines unserer Isolate (Desulfovibrio aespoeensis) wurde kürzlich als typischer Vertreter eines tiefen terrestrischen Aquifers beschrieben. Dies betont die Ähnlichkeiten zwischen der marinen und der terrestrischen Tiefen Biosphäre. Während des dritten Antragsjahres wurden Inkubationsexperimente bei verschiedenen Temperaturen und Drücken durchgeführt, um unsere Isolate aus der Tiefen Biosphäre hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Anpassung an die dort vorherrschenden Bedingungen zu untersuchen. Dabei haben hohe Inkubationstemperaturen das Wachstum und Aktivität unter hohem Druck begünstigt. Es zeigten sich eine Verschiebung von einem piezotoleranten zu einem eher piezophilen Verhalten und ein signifikanter Wechsel in der Phospholipid-Zusammensetzung der Zellmembran. Zusammengefasst haben unsere Studien die Hypothese bestätigt, dass hydrothermale Fluide aus der ozeanischen Kruste das mikrobielle Leben in der Tiefen Biosphäre unterstützen. Zieht man die weltweite Ausdehnung dieses Aquifers in Betracht, stellt dieser Einfluss eine maßgebliche Antriebskraft für Populationen der Tiefen Biosphäre im globalen Maßstab dar.

Publications

• (2005) IODP Expedition 301 installs three borehole crustal observatories, prepares for three-dimensional, cross-hole experiments in the northeastern Pacific Ocean. Scientific Drilling, 1:6-11
  Fisher AT, Urabe T, Klaus A
  
• (2006) Influence of fluids from the ocean crust on growth and activity of deep-biosphere populations (IODP Leg 301). IODP/ICDP Kolloquium Greifswald, p. 43
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• (2006) Linking geochemical profiles and microbial activities along the sediment column of the Juan de Fuca Ridge (IODP Site 1301). BioSpektrum Tagungsband zur VAAM-Jahrestagung 2006 (Jena): ISSN 0947-0867, p. 137-138
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• (2006). Cultivation, quantification and activity measurements of deep-biosphere populations. IODP Expedition 301 '2nd postcruise meeting' in Fairbanks, Alaska, USA
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• (2007) Hydrothermal fluids from the oceanic crust stimulate metabolic activities of deep-biosphere populations (IODP Leg 301). IODP/ICDP Kolloquium Potsdam
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• (2007) Hydrothermal fluids from the oceanic crust stimulate metabolic activities of deep-biosphere populations. BioSpektrum Tagungsband zur VAAM-Jahrestagung 2007 (Osnabrück): ISSN 0947-0867, p. 129
  Ziegelmüller K, Cypionka H, Engelen B
  
• (2007) Influence of hydrothermal crustal fluids on deep-biosphere populations. Goldschmidt Abstracts 2007 - XYZ. Geochimica et Cosmochimica Acta 71 (15): A1131-A1176, p.A1175
  Ziegelmüller K, Niebuhr M, Cypionka H, Engelen B
  
• (2007) The subsurface of tidal-flat sediments as a model for the deep biosphere. BioSpektrum Tagungsband zur VAAM-Jahrestagung 2007 (Osnabrück): ISSN 0947-0867, p. 129
  Engelen B, Ziegelmüller K, Batzke A, Wilms R, Köpke B, Sass H, Cypionka H
  
• (2007) The subsurface of tidal-flat sediments as a model for the deep biosphere. Terra Nostra - Schriften der GeoUnion Alfred-Wegener-Stiftung Vol 2007/1-2: The oceans in the earth system: International conference and 97th annual meeting of the Geologische Vereinigung e.V.: ISSN 0946-8978, p. 75
  Engelen B, Ziegelmüller K, Batzke A, Wilms R, Köpke B, Sass H, Cypionka H
  
• (2008) Cultivation of sulfate-reducing bacteria from deep sediment layers that are influenced by crustal fluids (IODP Leg 301). IODP/ICDP Kolloquium Hannover, p. 143-146
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• (2008) Enhanced Microbial Activities within the Deep Subseafloor Biosphere induced by Fluids from the Oceanic Crust. International Symposium for Subsurface Microbiology (ISSM), Shizuoka, Japan, Abstract Book, p. 138
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• (2008) Fluids from the oceanic crust support microbial activities within the deep biosphere. Geomicrobiol J 25:56-66
  Engelen B, Ziegelmüller K, Wolf L, Köpke B, Gittel A, Treude T, Nakagawa S, Inagaki F, Lever MA, Steinsbu BO, Cypionka H
  
• (2008) Stimulation of sulfate-reducing bacteria by fluids from the ocean crust. BioSpektrum Tagungsband zur VAAM-Jahrestagung 2008 (Frankfurt/Main): ISSN 0947-0867, p. 129
  Ziegelmüller K, Mathes F, Könneke M, Cypionka H, Engelen B
  
• (2009) Highpressure adaptation of sulfate-reducing bacteria from fluid-influenced sediments of the deep subseafloor biosphere. BioSpektrum Tagungsband zur VAAM-Jahrestagung 2009 (Bochum): ISSN 0947-0867 p. 129
  Ziegelmüller K, Logemann J, Fichtel J, Rullkötter J, Cypionka H, Engelen B
  
• (2009) The subsurface of tidal-flat sediments as a model for the deep biosphere. Ocean Dynamics 59:385-391
  Engelen B, Cypionka H
  
• (2010) Archaeoglobus sulfaticallidus sp. nov., a novel thermophilic and facultatively lithoautotrophic sulfate-reducer isolated from black rust exposed to hot ridge flank crustal fluids. IJSEM
  Steinsbu BO, Thorseth IH, Nakagawa S, Inagaki F, Lever MA, Engelen B, Øvreås L, Pedersen RB
  (See online at https://doi.org/10.1099/ijs.0.016105-0)