Geomicrobiology of Fe-rich sediments of Lake Towuti

• Applicant: Dr. Jens Kallmeyer
• Subject Area: Palaeontology ; Mineralogy, Petrology and Geochemistry
• Term: from 2014 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 252862192

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Lake Towuti ist ein See auf der Insel Sulawesi in Indonesien. Das Einzugsgebiet des Sees besteht aus sehr eisenreichen Gesteinen, durch das tropische Klima mit Temperaturen ganzjährig um 30°C und den starken Niederschlag von rund 3 m pro Jahr kommt es zum massiven Eintrag von Eisenoxiden in den See. Die Sediment weisen einen extrem hohen Eisengehalt von über 20 % auf. Aufgrund seiner Tiefe von rund 200 m und den gleichmäßigen Temperaturen ist der See stratifiziert, d.h. der untere Bereich (unter ca. 130 m Wassertiefe) ist sauerstofffrei. Die Bedingungen im Bodenwasser und in den Sedimenten sind ein gutes modernes Analog zum Ozean des Archaikums und Proterozoikums. Da die Sedimente des Sees relativ ungestört sind können sie als Klimaarchive genutzt werden und wichtige Hinweise über die Klimageschichte des Westpazifischen Warmpools liefern. Neben dem amazonischen Regenwald in Südamerika ist der Westpazifische Warmpool die wichtigste Feuchtigkeitsquelle der Atmosphäre. Ein möglichst lange zurück reichendes Klimaarchiv aus diesem Gebiet kann also wichtige Informationen über die Entwicklung der globalen Atmosphäre liefern. Die Erforschung der Klimageschichte dieser Region war auch der wichtigste Antrieb für die ICDP Bohrung, die 2015 durchgeführt wurde. Durch Kombination mit anderen Forschungsrichtungen, darunter Geomikrobiologie und Biogeochemie entstand ein fachlich sehr breit aufgestelltes Team. Die Bohrung verlief trotz vieler logistischer und technischer Probleme ziemlich erfolgreich. Zum ersten Mal in der Geschichte von ICDP wurde ein eigener Kern nur für geochemischen und mikrobiologische Analysen erbohrt, was ungeahnte Möglichkeiten eröffnete, da es nun möglich war auch größere Probenmengen und ganze Kernsegmente zu entnehmen ohne in Konflikt mit anderen Forschungsgruppe zu geraten. Außerdem wurde beim Bohren des Kerns eine Kontaminationskontrolle eingesetzt mit der überprüft werden konnte ob die Proben durch die Bohrspülung kontaminiert wurden. Im Rahmen dieses Projekts wurde dafür eine neue Technik entwickelt, die inzwischen schon erfolgreich auf anderen Bohrungen angewendet wurde. Die größte Überraschung im Projekt war die Feststellung, dass der mikrobielle Abbau des im Sediment eingebetteten organischen Materials nicht mit Eisenoxiden als Reaktionspartner ablief sondern das organische Material zum größten Teil zu Methan umgebaut wurde. Dieser Prozess liefert wesentlich weniger Energie und wird normalerweise nur dann quantitativ dominant wenn Eisenoxide und andere Reaktionspartner mit einer höheren Energieausbeute nicht verfügbar sind. Diese Beobachtung hat große Auswirkungen auf unser Verständnis über Prozesse auf der frühen Erde. Dieser Prozess liefert eine Erklärung wie große Mengen Methan in die Atmosphäre gelangen und als starkes Treibhausgas dafür zu sorgen konnten, dass die Erde trotz der damals deutlich geringeren Sonnenenergie nicht zu stark abkühlte.

Publications

• (2016) Geomicrobiological features of ferruginous sediments from Lake Towuti, Indonesia. Frontiers in Microbiology 7
  Vuillemin, A., Friese, A., Alawi, M., Henny, C., Nomosatryo, S., Wagner, D., Crowe, S.A. and Kallmeyer, J.
  
• (2016) The Towuti Drilling Project: paleoenvironments, biological evolution, and geomicrobiology of a tropical Pacific lake. Scientific Drilling 21, 29-40
  Russell, J.M., Bijaksana, S., Vogel, H., Melles, M., Kallmeyer, J., Ariztegui, D., Crowe, S., Fajar, S., Hafidz, A., Haffner, D., Hasberg, A., Ivory, S., Kelly, C., King, J., Kirana, K., Morlock, M., Noren, A., O'Grady, R., Ordonez, L., Stevenson, J., von Rintelen, T., Vuillemin, A., Watkinson, I., Wattrus, N., Wicaksono, S., Wonik, T., Bauer, K., Deino, A., Friese, A., Henny, C., Imran, Marwoto, R., Ngkoimani, L.O., Nomosatryo, S., Safiuddin, L.O., Simister, R. and Tamuntuan, G.
  
• (2017) A simple and inexpensive technique for assessing contamination during drilling operations. Limnology and Oceanography-Methods 15, 200-211
  Friese, A., Kallmeyer, J., Kitte, J.A., Martinez, I.M., Bijaksana, S., Wagner, D., ICDP Lake Chalco Drilling Team and ICDP Lake Towuti Drilling Team
  
• (2018) Metabolic potential of microbial communities from ferruginous sediments. Environmental Microbiology 20, 4297-4313
  Vuillemin, A., Horn, F., Friese, A., Winkel, M., Alawi, M., Wagner, D., Henny, C., Orsi, W.D., Crowe, S.A. and Kallmeyer, J.
  
• (2019) Empowering conventional Rock-Eval pyrolysis for organic matter characterization of the siderite-rich sediments of Lake Towuti (Indonesia) using End-Member Analysis. Organic Geochemistry 134, 32-44
  Ordoñez, L., Vogel, H., Sebag, D., Ariztegui, D., Adatte, T., Russell, J.M., Kallmeyer, J., Vuillemin, A., Friese, A., Crowe, S.A., Bauer, K.W., Simister, R., Henny, C., Nomosatryo, S. and Bijaksana, S.
  
• (2019) Formation of diagenetic siderite in modern ferruginous sediments. Geology 47 540-544
  Vuillemin, A., Wirth, R., Kemnitz, H., Schleicher, A.M., Friese, A., Bauer, K.W., Simister, R., Nomosatryo, S., Ordoñez, L., Ariztegui, D., Henny, C., Crowe, S.A., Benning, L.G., Kallmeyer, J., Russell, J.M., Bijaksana, S., Vogel, H. and Towuti Drilling Project Science Team