Analyse der mikrobiellen und abiotischen Ausfällung von Eisen- und Siliziumdioxidmineralen, die für Banded Iron Formations (BIFs) relevant sind, in Säulenexperimenten

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kappler
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534725971

Gebänderte Eisenformationen (BIF) sind Sedimente, die in präkambrischen Ozeanen abgelagert wurden. Ihre Zusammensetzung und Mineralogie werden als Paläo-Proxies für die Eigenschaften der frühen Ozeane, Biosphäre und Atmosphäre verwendet. Es wird angenommen, dass planktonische Mikroben eine Schlüsselrolle bei der Oxidation von Fe2+ spielten, um die Vorläufermineralien der BIF zu bilden (Eisenoxyhydroxide, Ferrihydrit). Zwei Arten von Mikroben waren wichtig. Die ältesten waren Photoferrotrophe, d.h. anoxygene Fe(II)-oxidierende phototrophe Bakterien, die Fe2+ als Elektronendonor in der Photosynthese verwendeten. Irgendwann wurden sie durch Cyanobakterien ersetzt, weil der von ihnen produzierte O2 für die Photoferrotrophen toxisch war. Obwohl die Forschung der letzten 20 Jahre Einblicke gewährt hat, wie bestimmte Mikroben die BIF-Ausfällung ermöglichten, ist unbekannt, wie die mikrobiellen Gemeinschaften interagiert haben und wann der Übergang von einer von Photoferrotrophen zu einer von Cyanobakterien dominierten Wassersäule stattgefunden hat. Mit diesem Projekt soll diese Lücke geschlossen werden, indem die Interaktion dieser Mikroben bei der Bildung von BIFs untersucht werden, wobei der Schwerpunkt auf der Ko-Inkubation der Photoferrotrophen & Cyanobakterien liegt. In diesem Projekt werden Säulenbioreaktoren verwendet, um dynamische Bedingungen in frühen Ozeanen zu simulieren. Säulenbioreaktoren ermöglichen die Überwachung von Temperatur, O2, Metallkonzentration und -speziierung sowie der mikrobiellen Gemeinschaften, zusätzlich zur Entnahme von Sediment zur Mineralanalyse. Dies ermöglicht eine systematische Erforschung der beteiligten Prozesse und die Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Mikroben. Es werden zunächst die Cyanobakterien Synechococcus sp. PCC 7002 und das photoferrotrophe Bakterium Chlorobium sp. Stamm N1 einzeln verwendet, gefolgt von einem gemeinsamen Setup, um ihre Interaktionen und den gemeinsamen Einfluss auf den Eisenzyklus zu untersuchen. Techniken wie Durchflusszytometrie, Fluoreszenzmikroskopie, SEM, ICP-MS, XRD und Mössbauer-Spektroskopie werden die Analyse der mikrobiellen Verteilung, der Minerale und der Morphologie von Zell-Mineral-Aggregaten erlauben. Außerdem werden Rastertransmissions-EM und Synchrotron-basierte Kryo-Transmissions-Röntgenmikroskopie verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen Mikroben und Metallen zu charakterisieren, insbesondere die beteiligten Biomineralisierungsprozesse und die Rolle der Mikroorganismen. Mit Hilfe von Temperaturzyklen soll ermittelt werden, ob jahreszeitliche Temperaturschwankungen im Ozean für die abwechselnde Ausfällung von Eisen- und Silikatmineralen verantwortlich waren. Das Neue an diesem Projekt ist, dass es einen multidisziplinären und technologisch fortschrittlichen Ansatz zum Verständnis der Entstehung von BIF bietet und kritische Wissenslücken in unserem Verständnis der frühen Erdbedingungen und der Entwicklung des frühen Lebens schließt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen