Examining the role of biotic iron reduction as a life-sustaining process at the potential temperature limit of the deep subseafloor biosphere (IODP Expedition 370) (RESPIRE)
Mineralogy, Petrology and Geochemistry
Final Report Abstract
Die marinen Sedimente der tiefen Biosphäre stellen das größte Reservoir an organischem Kohlenstoff auf der Erde dar. Der Abbau der Organik ist die treibende Kraft für mikrobielle Aktivität in den Sedimenten, die wiederum rückkoppelt auf globale Stoffkreisläufe. Ziel der IODP Expedition 370 war es, die Temperaturgrenze mikrobiellen Lebens in der tiefen Biosphäre zu erforschen. Der Nankai Trog bietet dafür mit seinem hohen T-Gradienten ideale Bedingungen. Die Sedimente an Site C0023, die in diesem Projekt untersucht wurden, stammen aus bis zu 1180 m Tiefe und bis zu 120°C. Teilaspekte der übergeordneten Fragestellung der Expedition nach der Grenze des Lebens wurden im Projekt RESPIRE bearbeitet: Es sollte (1) die Verfügbarkeit von durch Mikroorganismen reduzierbaren Fe-Oxiden an Site C0023 untersucht werden, (2) die Alteration von geochemischen Signalen in den Kernen evaluiert werden und (3) über Fe-Isotopensignale abiotische von mikrobiell gesteuerter Fe-Reduktion voneinander unterschieden werden. (1) Um reaktive Eisenphasen zu quantifizieren, die als mögliche Energiesubstrate für mikrobiell gesteuerte Prozesse dienen können, wurde eine Kombination aus sequentieller Eisenextraktionen, Mössbauer-Spektroskopie und gesteinsmagnetischen Analysen angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass große Mengen reduzierbaren Eisens in Schichtsilikaten gebunden und über die gesamte Sedimentsäule vorhanden sind. (2) In den vergangenen 15 Millionen Jahren haben sich die Sedimente an der Site C0023 aufgrund der tektonischen Bewegung der Philippinischen Platte – bezogen auf ihre heutige Position – um mehrere hundert Kilometer vom Shikoku Becken zum Nankai Trog verschoben. Während dieser tektonisch-bedingten Migration haben die Sedimente erhebliche Veränderung in der Ablagerung sowie den geochemischen und thermischen Bedingungen erfahren. Das Projekt befasste sich mit der Entwicklung der (bio-)geochemischen Prozesse während der tektonischen Migration des Meeresbodens an Site C0023 mit Fokus auf den Eisenstoffkreislauf. Die mögliche Abfolge (bio-)geochemischer Prozesse und die damit verbundene diagenetische Überprägung der Sedimente wurden rekonstruiert und in einem weiteren Schritt durch reaktive Transportmodellierung quantitativ überprüft. (3) Es wurde die Isotopenzusammensetzung von gelöstem sowie sequentiell extrahiertem Eisen (δ56Fe) untersucht, um mikrobielle und abiotische Prozesse im Eisenstoffkreislauf in den tiefen und heißen Sedimenten an Site C0023 zu unterscheiden. Die insgesamt negative Isotopenzusammensetzung des gelösten Eisens schließt die dissimilatorische Eisenreduktion als Hauptfreisetzungsweg für Eisen nicht aus. Einige Proben weisen jedoch außergewöhnlich niedrige δ56Fe-Werte von bis zu -5.9‰ auf, welche nicht allein auf mikrobielle Eisenreduktion zurückgeführt werden können, sondern sich mit Rayleigh-Destillation erklären lassen. Die mikrobiell gesteuerte Freisetzung sowie die Diffusion und Adsorption von gelöstem Eisen an Mineraloberflächen fanden zunächst gleichzeitig statt. Durch erhöhte Sedimentationsraten und dem damit einhergehenden Anstieg der Sedimenttemperatur über die Temperaturgrenze mesophiler Mikroorganismen vor etwa 0,4 Millionen Jahre könnte die mikrobielle Eisenreduktion jedoch in dem Intervall, in dem das Eisen zuvor freigesetzt wurde, geendet haben. Abiotische Prozesse (Diffusion und Adsorption) fanden aber weiterhin statt und führten zu den extrem niedrigen δ56Fe-Werten. Diese Entkopplung von biotischen und abiotischen Prozessen ist letztlich auf die Ablagerungs- und Temperaturdynamik an der Site C0023 zurückzuführen. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass die tektonisch-bedingte Migration des Ozeanbodens und der darüber liegenden Sedimente zu signifikanten Änderungen in der Ablagerung und in den geochemischen und thermischen Bedingungen führen kann. Diese Änderungen beeinflussen wiederum die Bewohnbarkeit der tiefen Biosphäre und kontrollieren die (bio-)geochemischen Prozesse sowie die geochemischen und Isotopensignaturen in der gesamten Sedimentsäule. Die Ergebnisse dieser Studie liefern wichtige Erkenntnisse für die Interpretation von stabilen Eisenisotopen in marinen Sedimenten und tragen zu einem besseren Verständnis der langfristigen Variabilität von (bio-)geochemischen Prozessen in der tiefen marinen Biosphäre bei.
Publications
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Examining the role of biotic iron reduction as a life-sustaining process at the potential temperature limit of the deep subseafloor biosphere (RESPIRE), IODP Expedition 370 – Trace elements in interstitial water and bulk sediment composition at site C0023A, IODP 370 Post-Cruise Meeting, University of Aberdeen, 31 May 2018 - 3 June 2018
Köster, M.; Henkel, S.; Spivack, A.; Homola, K.; Sauvage, J.; Heuer, V.B.; Inagaki, F. & Morono, Y. & IODP Expedition 370 Scientists
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Assessment of the diagenetic overprint of sediments within the deep subseafloor biosphere in the Nankai Trough, Japan – IODP Expedition 370, ICYMARE 2019, Bremen, 24 – 27 September 2019
Köster, M.; Kars, M. A.; Tsang, M. Y.; Heuer, V. B.; Morono, Y.; Inagaki, F.; Kasten, S.; Henkel, S. & Expedition 370 Scientists
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IODP Expedition 370 Scientists (2019) Availability of reactive iron for microbial iron reduction and assessment of the diagenetic overprint of sediments within the deep subseafloor biosphere in the Nankai Trough, Japan – IODP Expedition 370, Gemeinsames IODP/ICDP Kolloquium Köln 2019, University of Cologne, 18 – 20 March 2019
Köster, M.; Henkel, S.; Tsang, M. Y. , Kars, M. , Manners, H. , Heuer, V. B. , Inagaki, F. & Morono, Y. & IODP Expedition 370 Scientists
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Tracing Fe reaction pathways in tephra-rich deep subseafloor sediments from the Nankai Trough offshore Japan by using sequential extractions and stable Fe isotopes. American Geophysical Union (AGU).
Köster Male, Manners Hayley R.; Heuer Verena B., Morono Yuki; Inagaki Fumio, Kasten Sabine & Henkel Susann
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Evolution of (Bio‐)Geochemical Processes and Diagenetic Alteration of Sediments Along the Tectonic Migration of Ocean Floor in the Shikoku Basin off Japan. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 22(8).
Köster, Male; Kars, Myriam; Schubotz, Florence; Tsang, Man‐Yin; Maisch, Markus; Kappler, Andreas; Morono, Yuki; Inagaki, Fumio; Heuer, Verena B.; Kasten, Sabine & Henkel, Susann
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Influence of early low-temperature and later high-temperature diagenetic processes on magnetic mineral assemblages in marine sediments from the Nankai Trough, Joint Scientific Assembly IAGA-IASPEI 2021, Virtual Conference, 21 - 27 August 2021
Kars, M.; Köster, M.; Henkel, S.; Bowden, S.; Zhao, X. & Roberts, A.
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Influence of Early Low‐Temperature and Later High‐Temperature Diagenesis on Magnetic Mineral Assemblages in Marine Sediments From the Nankai Trough. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 22(10).
Kars, Myriam; Köster, Male; Henkel, Susann; Stein, Rüdiger; Schubotz, Florence; Zhao, Xiang; Bowden, Stephen A.; Roberts, Andrew P. & Kodama, Kazuto
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The influence of tectonic migration of ocean floor on (bio-)geochemical and diagenetic processes in subseafloor sediments from the Nankai Trough off Japan. American Geophysical Union (AGU).
Köster Male, Kars Myriam; Schubotz Florence, Tsang Man-Yin; Morono Yuki, Inagaki Fumio & Kasten Sabine, Henkel Susann
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Volcanic ash alteration as driver of (bio-)geochemical iron cycling in deep marine sediments of the Nankai Trough. Goldschmidt2021 abstracts (2021). European Association of Geochemistry.
Köster, Male; Manners, Hayley; Meixner, Anette; Kasemann, Simone; Staubwasser, Michael; Morono, Yuki; Inagaki, Fumio; Heuer, Verena; Kasten, Sabine & Henkel, Susann
