Mikrobielle Eisenumwandlungsprozesse während der Bildung von gebänderten Eisenerzen: Einfluss auf die Eisenmineralogie sowie auf die Mobilität von Nickel und Phosphat
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gebänderte Eisenerze (banded iron formations (BIF)) gehören zu den ältesten Gesteinen der Erde und sind die größten Eisenlagerstätten weltweit. Sie bestehen aus alternierenden Schichten von Eisen- und Silikatmineralen, sind zwischen 3.8-1.8 Milliarden Jahre alt und wurden aus präkambrischen Ozeanen ausgefällt. Während die ältesten BIF vermutlich durch anoxygene, phototrophe Fe(II)-oxidierende Bakterien gebildet wurden, waren für die später abgelagerten BIF Cyanobakterien durch ihre Sauerstoffbildung verantwortlich. Ihr Alter macht BIF zu Zeitzeugen von frühem Leben auf der Erde und der Entwicklung von freiem O2 in der Atmosphäre, produziert von Cyanobakterien, welche letztendlich die Große Sauerstoffkatastrophe vor 2.45 Milliarden Jahren auslösten. Die frühen, sauerstofffreien Ozeane waren reich an gelöstem zweiwertigem Eisen (Fe2+) (bis zu 0.5 mM) und gelöstem Silikat (Si) (bis zu 2.2 mM). Das Fe2+ wurde zu Fe(III) oxidiert und als (Oxyhydr)oxid Minerale ausgefällt und anschließend in der anoxischen Wassersäule (und dem Sediment) von Fe(III)-reduzierenden Bakterien zu Fe(II)/Fe(III) Mineralen reduziert, die man noch heute in gebänderten Eisenerzen finden kann: Hämatit, Siderit, Magnetite und Fe(II)-/Fe(III)-Silikate. In diesem Projekt wurde nun die Rolle der Cyanobakterien im Kontext der anderen Prozesse evaluiert. Dazu wurden Experimente mit alternierenden Oxidations- und Reduktionszyklen durchgeführt, um die Mineralbildung unter Einfluss von O2 (gebildet durch die Cyanobakterien) und Fe(III)-reduzierenden Bakterien bei verschiedenen Fe- und Si-Konzentrationen zu testen. Um die Experimente näher an die frühen Ozeane anzupassen, wurden Phosphat und Nickel den Experimenten zugegeben, um Toxizitätseffekte und Nährstoffbedürfnisse zu testen. Unsere Experimente haben die Bildung von Ferrihydrit, Goethit, Lepidocrocit, sowie Fe(II)/Fe(III) Silikate und Magnetit gezeigt. Bei realistischen Eisenkonzentrationen (0.5 mM) waren die Minerale wenig kristallin. Silikat minderte die Bildung reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und somit litten die Bakterien im frühen Ozean vermutlich nicht wie bisher angenommen unter O2-Toxizität. Nährstoffmangel (niedrige P-Konzentration von ≤ 3.67 µM) erlaubte Bakterienwachstum in Kombination mit niedrigen, realistischen Ni-Konzentrationen (<4 µM). Das zugegebene P und Ni wurde zum Großteil (>90%) in die Minerale eingebunden und war somit nicht mehr bioverfügbar. Das bedeutet, dass dem frühen Ozean durch die Mineralbildung Nährstoffe (P) entzogen wurden, anderseits aber auch die Toxizität des Nickels abgeschwächt wurde. Wir schlussfolgern, dass Cyanobakterien zusammen mit Fe(III)-reduzierenden Bakterien trotz in der Literatur beschriebenem potentiellem Nährstoffstoffmangel, sowie Sauerstoff- und Nickeltoxizität, BIF-relevante Minerale bilden konnten. Diese Fe(II)/ Fe(III) Vorläuferminerale waren wenig kristallin und wurden durch Diagenese und Metamorphose am Meeresgrund zu den Mineralen, die heute in BIFs zu finden sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Microbial processes during deposition and diagenesis of Banded Iron Formations. PalZ, 95(4), 593-610.
Dreher, Carolin L.; Schad, Manuel; Robbins, Leslie J.; Konhauser, Kurt O.; Kappler, Andreas & Joshi, Prachi
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Cyanobacteria-ferrihydrite aggregates, BIF sedimentation and implications for Archaean- Palaeoproterozoic seawater geochemistry. South African Journal of Geology, 127(2), 359-378.
Li, Y.; Sutherland, B.R.; Ilin, A.M.; Schad, M.; Robbins, L.J.; Kappler, A.; Yusta, I.; Sánchez-España, J.; Owttrim, G.W.; Dreher, C.L.; Smith, A.J.B.; Alessi, D.S.; Gingras, M.K. & Konhauser, K.O.
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Impact of silica on the identity of minerals formed in Archean oceans during Fe cycling by cyanobacteria and iron(III)-reducing bacteria. Geochimica et Cosmochimica Acta, 404, 202-222.
Dreher, Carolin L.; Schad, Manuel; Duda, Jan-Peter; Fischer, Stefan; Shuster, Jeremiah; Li, Yuhao; Konhauser, Kurt O. & Kappler, Andreas
