Untersuchung der biologischen Prozesse zur Freisetzung von Sauerstoff in der frühen Erdgeschichte -Vereinbarung biologischer und geochemischer Perspektiven

• Antragstellerin: Dr. Michelle Gehringer
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404722890

Die große Sauerstoffkatastrophe (engl. great oxygenation event, GOE) bezeichnet den Abschnitt der Erdgeschichte, in dem die freie Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre von null auf das 10-5-fache der heutigen Konzentration stieg. Zusätzlich gibt es Hinweise, dass es begrenzte Sauerstoffblasen gab, die sogenannten "whiff" (dt. Hauch), die in archaischen flachen Gewässern und Oberflächenkrusten auftraten. Cyanobakterien sind die einzigen Bakterien, die in der Lage sind, oxygene Photosynthese durchzuführen. Sie traten nach neuen phylogenetischen Untersuchungen spätestens vor ca. 2,7 Milliarden Jahren auf. Die abiogene Spaltung von Wasser erfolgte schon deutlich früher. Betrachtet man beide Prozesse der Sauerstoffbildung zusammen, ergibt sich die Frage, warum es weitere 300 Millionen Jahre dauerte, bis sich freier Sauerstoff in der Erdatmosphäre anreichern konnte. Eine Hypothese ist, dass für das Leben der Cyanobakterien essentielle Nährstoffe wie Nitrat, Phosphat, und Spurenelemente limitiert waren. Eine andere Hypothese legt nahe, dass der von Cyanobakterien freigesetzte Sauerstoff durch lokale Oxidation von Mineralien in den Oberflächenkrusten gebunden wurde. In diesem Projekt sollen diese Hypothesen in Modellsystemen getestet werden. Für Stickstoff-fixierende Cyanobakterien aus Süßwasser und dem marinen Lebensraum soll die Photosyntheserate und die Stickstofffixierung gemessen werden. Dafür sollen Flüssigkulturen in der reduzierenden anaeroben Atmosphäre des Archaikums mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt verwendet werden. Des Weiteren sollen Pseudomatten aus Cyanobakterien auf einer festen Matrix aus gemahlenem Stein erzeugt werden, um die Interaktion an der Mineral-Mikrobe-Grenze anhand der Messung der Sauerstoffkonzentration, des pH-Wertes und des Redox-Potentials zu untersuchen. Flüssigkulturen und Pseudomatten sollen somit Einblicke auf Wachstum und physiologische Prozesse der modernen Nachfahren der frühen Cyanobakterien sowohl auf der Ebene des Einzelorganismus als auch auf der Ebene der ökologischen Gemeinschaft in Matten und Krusten ermöglichen. Die experimentell erhaltenen Daten sollen mit den Analysen von Gesamtstickstoffgehalt und Spurenelementen in organischen Schichten konservierter archaischer Matten und Stromatolithen aus mariner und nicht-mariner Herkunft verglichen werden. Dies ist die erste biologische Studie, welche die potentielle Nährstofflimitierung für Cyanobakterien während des späten Archaikums, und ihre Fähigkeit, essentielle Spurenelemente durch Verwitterung der mineralischen Substrate verfügbar zu machen, untersucht, und einen bedeutenden Beitrag zur Erklärung der Prozesse, die zur großen Sauerstoffkatastrophe der Erdgeschichte führten, leistet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1833: Building a Habitable Earth