Molecular-isotopic studies of microbial processes and organic matter in the subseafloor coalbed biosphere of Shimokita (IODP Exp. 337)
Final Report Abstract
Unser Projekt beinhaltete zentrale Elemente des molekular-isotopischen Biogeochemie Programms der IODP Expedition 337. Diese Expedition hatte die Untersuchung der ultra-tiefen mikrobiellen Biosphäre in marinen Sedimenten vor der Shimokita Halbinsel und deren Assoziation mit den dort versenkten Braunkohleflözen zum Ziel. Das resultierende Bohrloch C0020 war die bis dahin tiefste Bohrung in der Geschichte der wissenschaftlichen Ozeanbohrungen. Die Bohrungen und Probenahmen in Sedimenttiefen von bis zu 2,5 km erforderten den Einsatz des industrieüblichen Riser-Bohrverfahrens. Der bei diesem Verfahren übliche Einsatz vonBohrschlamm stellte uns vor wissenschaftliche Herausforderungen zur Lösung der dadurch entstehenden Kontaminationsproblematik. Als Ko-Leiterd er Expedition war der Antragsteller verantwortlich für die Integration der unterschiedlichen wissenschaftlichen Programmelemente, einschließlich des von ihm geleiteten Bremer Biogeochemie-Programms. Die Synthese der Forschungsergebnisse der ersten Jahre unter der Leitung der beiden Fahrtleiter und unter Mitwirkung des Expeditions-Projektmanagers sowie 44 weiterer Koautoren führte zu einer Publikation in einer hochrangigen wissenschaftlichen Zeitschrift. Zu den Highlights der Arbeit zählen: (i) Unsere Studie lieferte den Nachweis für das tiefste, jemals dokumentierte Leben unterhalb des Meeresbodens. Der Nachweis gelang uns in Form von direkten Zellzählungen, der Anreicherung von methanogenen Populationen und dem geochemischen Nachweis von Methanogenese in-situ. (ii) Ab einer Sedimenttiefe von 1,5 km beobachteten wir drastische Abnahmen der Zellkonzentrationen um mehrere Größenordnungen. In Sedimenthorizonten ab 2 km und tiefer kommen nur noch Konzentrationen von wenigen Zellen pro ml vor; damit erscheint das zugrunde liegende Ökosystem wie die untere Grenze der Tiefen Biosphäre. (iii) Die Mitglieder der ultratiefen indigenen mikrobiellen Gemeinschaft finden ihre nächsten Verwandten in bakteriellen Bewohnernvon modernen Waldböden. Diese neuen Erkenntnisse erforderten die Einhaltung eines rigorosen Programms zur Sicherung und Kontrolle von Qualitätsrichtlinien zur Vermeidung bzw. Minimierung von Kontaminationen, sowohl auf dem Bohrschiff als auch in den beteiligten Laboratorien an Land. Der durch dieses Projekt ermöglichte Bremer Beitragbestand aus der Gas-Geochemie, mit der wir die Methanproduktion in-situ durch CO2-reduzierende Methanogene belegen konnten – eine zentrale Säule der Publikation in Science. Diese und diedarüber hinaus von uns erhobenen molekular-isotopischen Daten unterstützen die schon im Vorfeld der Expedition formulierten Hypothese, dass die tiefliegenden Kohleflöze biogeochemische „Hotspots“ im Vergleich zu den darüber und darunter befindlichen Schichten darstellen. Trotz unerwartet geringer Stoffwechselraten setzen Kohleflöze Komponenten frei, die als Energiequellen für die Aufrechterhaltung der sehr kleinen Mikroorganismen-Populationen dienen, deren Zellkonzentrationen aber dennoch im Vergleich zu denen in den umliegenden kohlefreien Schichten um ein bis zwei Größenordnungen höher liegen. Auch unsere Langzeitinkubationsexperimente unterstützen durch die Inkorporation von 13C aus anorganischem Kohlenstoff in Methan und Azetat das Vorhandensein von CO2-reduzierenden mikrobiellen Aktivitäten in den tiefen Sedimenten. Das Potenzial für den mikrobiellen Ligninabbau ist durch die Remineralisierung des Ligninmonomers Vanillin, welches in Inkubationsexperimenten in Raten von wenigen fmol pro Tag und Milliliter umgesetzt wurde, indiziert. Extrem geringe Zellkonzentrationen erschwerten die Analyse von Polaren Lipiden aber die Analyse von Kernlipiden mit Tetraetherstrukturzeigte einen ungewöhnlich hohen Anteil an Butanetriol-basierten Lipiden. Bei diesen Verbindungen handelt es sich um neue Biomarker für eine spezifische Gruppe von Methanogenen. Zu guter Letzt bildete das Projekt auch eine Plattform für die Öffentlichkeitsarbeit zu unserer Forschungsaktivität und führte somit zu einer im Internet verfügbaren Videodokumentation über die Arbeiten an Bord und zu zwei Interviews im Deutchlandfunk. Zudem wurde durch dieses Projekt der Grundstein für die Initiierung eines weiteren IODP Bohrprojekts gelegt, das schon im Spätsommer 2016 umgesetzt werden wird. Dabei soll spezifisch die Rolle der Temperatur auf die Verteilung mikrobiellen Lebens unterhalb des Meeresbodens untersucht werden.
Publications
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(2012) Deep coalbed biosphere off Shimokita: microbial processes and hydrocarbon system associated with deeply buried coalbed in the ocean. Integrated Ocean Drilling Program Preliminary Report, 337
Inagaki, F., Hinrichs, K.-U., Kubo, Y., Bowles, M.W., Heuer, V.B., Hong, W.-L., Hoshino, T., Ijiri, A., Imachi, H., Ito, M., Kaneko, M., Lever, M.A., Lin, Y.-S., Methé, B.A., Morita, S., Morono, Y., Tanikawa, W., Bihan, M., Bowden, S.A., Elvert, M., Glombitza, C., Gross, D., Harrington, G.J., Hori, T., Li, K., Limmer, D., Liu, C.-H., Murayama, M., Ohkouchi, N., Ono, S., Park, Y.-S., Phillips, S.C., Prieto-Mollar, X., Purkey, M., Riedinger, N., Sanada, Y., Sauvage, J., Snyder, G., Susilawati, R., Takano, Y., Tasumi, E., Terada, T., Tomaru, H., Trembath-Reichert, E., Wang, D.T., Yamada, Y.
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(2013) Proceedings of the Integrated Ocean Drilling Program (IODP, Tokyo, 2013), vol. 337
Inagaki, F., Hinrichs, K.-U., Kubo, Y., Bowles, M.W., Heuer, V.B., Hong, W.-L., Hoshino, T., Ijiri, A., Imachi, H., Ito, M., Kaneko, M., Lever, M.A., Lin, Y.-S., Methé, B.A., Morita, S., Morono, Y., Tanikawa, W., Bihan, M., Bowden, S.A., Elvert, M., Glombitza, C., Gross, D., Harrington, G.J., Hori, T., Li, K., Limmer, D., Liu, C.-H., Murayama, M., Ohkouchi, N., Ono, S., Park, Y.-S., Phillips, S.C., Prieto-Mollar, X., Purkey, M., Riedinger, N., Sanada, Y., Sauvage, J., Snyder, G., Susilawati, R., Takano, Y., Tasumi, E., Terada, T., Tomaru, H., Trembath-Reichert, E., Wang, D.T., Yamada, Y.
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(2015) Exploring deep microbial life in coal-bearing sediment down to ~2.5 km below the ocean floor. Science 349, 420-424
Inagaki, F., Hinrichs, K.-U., Kubo, Y., Bowles, M.W., Heuer, V.B., Hong, W.-L., Hoshino, T., Ijiri, A., Imachi, H., Ito, M., Kaneko, M., Lever, M.A., Lin, Y.-S., Methé, B.A., Morita, S., Morono, Y., Tanikawa, W., Bihan, M., Bowden, S.A., Elvert, M., Glombitza, C., Gross, D., Harrington, G.J., Hori, T., Li, K., Limmer, D., Liu, C.-H., Murayama, M., Ohkouchi, N., Ono, S., Park, Y.-S., Phillips, S.C., Prieto-Mollar, X., Purkey, M., Riedinger, N., Sanada, Y., Sauvage, J., Snyder, G., Susilawati, R., Takano, Y., Tasumi, E., Terada, T., Tomaru, H., Trembath-Reichert, E., Wang, D.T., Yamada, Y.
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(2016) IODP Expedition 337: Deep Coalbed Biosphere off Shimokita - Microbial processes and hydrocarbon system associated with deeply buried coalbed in the ocean. Scientific Drilling 21:17-28
Inagaki, F., Hinrichs, K.-U., Kubo, Y., Bowles, M.W., Heuer, V.B., Hong, W.-L., Hoshino, T., Ijiri, A., Imachi, H., Ito, M., Kaneko, M., Lever, M.A., Lin, Y.-S., Methé, B.A., Morita, S., Morono, Y., Tanikawa, W., Bihan, M., Bowden, S.A., Elvert, M., Glombitza, C., Gross, D., Harrington, G.J., Hori, T., Li, K., Limmer, D., Liu, C.-H., Murayama, M., Ohkouchi, N., Ono, S., Park, Y.-S., Phillips, S.C., Prieto-Mollar, X., Purkey, M., Riedinger, N., Sanada, Y., Sauvage, J., Snyder, G., Susilawati, R., Takano, Y., Tasumi, E., Terada, T., Tomaru, H., Trembath-Reichert, E., Wang, D.T., Yamada, Y.
