Microbial polar membrane lipids in marine sediments and their significance for subsurface life
Final Report Abstract
Das Projekt PoLiMar behandelte Fragen von zentraler Bedeutung für die Aufklärung von mikrobiellem Leben in tiefen Sedimentschichten. Im ersten Schritt wurde die Anwendbarkeit von intakten polaren Lipiden als Marker für lebende Biomasse in tief versenkten marinen Sedimenten untersucht. Die Abbauraten für Glykolipide von Archaeen waren signifikant niedriger als die von bakteriellen Phospholipiden. Daher sind diese Archaeenlipide weniger als Biomarker für lebende Archaeenzellen in der tiefen Biosphäre geeignet und eine bedeutende Menge der in tief versenkten Sedimenten gefundenen Archaeenlipide sind vermutlich fossile Überreste vorheriger Zellgenerationen. Als Konsequenz sind bisherige Abschätzungen der Biomasse basierend auf intakten polaren Lipiden zu hoch. Durch Modellierung von Konzentrationsprofilen in Sedimenten konnten neue Erkenntnisse über mikrobielle Wachstumsraten in der tiefen Biosphäre gewonnen werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Umsatzraten von Mikroorganismen in tiefen Sedimenten in der Größenordnung von einigen tausend Jahren liegen. Durch Weiterentwicklung unserer Analysenprotokolle für intakte polare Lipide in komplexen Umweltproben konnten zeitaufwendige Schritte vermieden und das Detektionslimit um bis zu zwei Grössenordnungen gesenkt werden. Mit Hilfe der neuen Verfahren wurden neue Verbindungen die bisher außerhalb des analytischen Fensters waren entdeckt und erfolgreich identifiziert. Die reduzierte Komplexität der Analysenschritte erlaubte es zum ersten Mal die detaillierte Verteilung der Kernlipide in einzelnen Lipidklassen zu untersuchen ohne dass zeitaufwendige Aufreinigungsschritte notwendig waren. Das Ziel der Auswertung ist, die verschiedenen Quellen und Reaktionsschritte von Archaeenlipiden in Umweltproben zu untersuchen. Ein großer Satz an Proben von ca. 400 global verteilten Sedimentproben wurde im Hinblick auf Konzentrationen von archaeellen Kern-, und mono- und diglykosidischen Tetraetherlipiden untersucht. Der Probensatz umfasste Proben aus Gebieten mit niedrigem Gehalt an organischem Gesamtkohlenstoff wo Lipidkonzentrationen bisher unterhalb des Detektionslimits lagen. Die Ergebnisse von Konzentrationsprofilen und aus der detaillierten Analyse der Ringverteilungen und des relativen Anteils von hydroxylierten Tetraetherlipiden deutet darauf hin, dass diglykosidische Tetraetherlipide vermutlich den besten Marker für benthische Archaeen darstellen, obwohl auch diese Lipide durch einen fossilen Anteil beeinflusst werden. Weiterhin wurde ein Ringexperiment in Zusammenarbeit mit führenden Experten der Erforschung der tiefen Biosphäre durchgeführt. Dieses Experiment zeigte die Vor- und Nachteile der verschiedenen eingesetzten Protokolle zur Detektion und Quantifizierung mikrobieller Biomasse in Sedimenten auf. Alle molekular- und zell-basierten Methoden konnten die Menge der Biomasse mit Abweichungen von weniger als einer Größenordnung bestimmen. Die Methoden tendierten dabei zu einer Unterschätzung der Menge an Archaeen, besonders im Falle der Analyse von intakten polaren Lipiden, vermutlich infolge unvollständiger Extraktion der stabilen Zellmembranen von Archaeen. Das Experiment lieferte wichtige Erkenntnisse und Empfehlungen für zukünftige Methodenverbesserungen.
Publications
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(2011). A radiotracer experiment for investigating the degradation kinetics of intact polar lipids in sediments. 25th International Meeting on Organic Geochemistry (IMOG)
Xie S, Lipp JS, Wegener G, Ferdelman TG, Hinrichs KU
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(2011). Biogeochemistry of sediments at ultra-deep burial depth recovered during IODP Expedition 317, Canterbury Basin, New Zealand. 25th International Meeting on Organic Geochemistry (IMOG)
Lipp JS, George SC, Claypool GE, Yoshimura T, Hinrichs KU
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(2013). Application of two new LC-ESI-MS methods for improved detection of intact polar lipids (IPLs) in environmental samples. Org Geochem.
Wörmer LP, Lipp JS, Schröder JM, Hinrichs KU
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(2013). Turnover of microbial lipids in the deep biosphere and growth of benthic archaeal population. Proc. Natl. Acad. Sci. USA
Xie S, Lipp JS, Wegener G, Ferdelman TG, Hinrichs KU
