Die Rolle von Mikroben und Biofilmen in der Fossilisation von Blättern

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Gabriele Bierbaum; Privatdozentin Dr. Carole T. Gee
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 348043586

Fossilien entstehen durch eine komplexe Abfolge von biologischen, chemischen und geologischen Prozessen. Blätter werden dabei meist karbonisiert, oder, im Falle von Holz, silifiziert. Aus Untersuchungen an Tierkadavern ist bekannt, dass bakterielle Biofilme auch bei der Fossilisation von Weichteilen eine Rolle spielen, wobei die Biofilme die Weichteil-Strukturen detailgenau nachbilden. Die negative Oberflächenladung der Bakterienzellen führt dann dazu, dass Minerale im Biofilm präzipitieren. In der ersten Förderperiode wurde die Taphonomie von Arthropoden am Beispiel von Krebsen untersucht; hier kam es schon nach zwei Tagen zur Ausfällung von Kalziumkarbonat. Mikrobiomanalysen zeigten, dass die Besiedlung der Krebse mit Bakterien eine Sukzession von Populationen mit stetig sinkendem Sauerstoffbedarf darstellte. Dabei standen Gattungen im Vordergrund, die als aggressive Produzenten von Proteasen, Chitinasen und Lipasen bekannt sind. Bei höheren Temperaturen führte dies, auch bei Ausschluss von Sauerstoff, sehr schnell zur Zerstörung der Organismen, aber bei niedrigen Temperaturen war der Prozess stark verlangsamt. Im Gegensatz dazu ist die Rolle von mikrobiellen Biofilmen bei der Genese von fossilen Blättern kaum untersucht. Es wurde in wenigen Fällen gezeigt, dass Biofilme entstehen, dass auch hier Mineralien eingelagert werden können und dass diese mineralisierten Biofilme dann eine schützende Funktion gegenüber Fraßfeinden und mechanischen Einflüssen ausüben. Im Rahmen der Forschergruppe wird die Bildung solcher Biofilme durch Projekt C3 in der natürlichen Umgebung und in Aquarien untersucht. In diesem Projekt (C4) wird dieser komplexe Prozess ins Labor übertragen und dabei analysiert, unter welchen Bedingungen und in Anwesenheit von welchen Bakterien oder Pilzen es zur Ausfällung von Mineralien oder zum Abbau des Blattgewebes kommt. Dazu werden einzelne Bakterien- und Pilzarten aus den Biofilmen isoliert und diese allein oder in Kombination unter sterilen Laborbedingungen mit den Blättern inkubiert, um ihren Einfluss auf Biofilmbildung, den Abbau oder die Erhaltung der Blätter zu analysieren. Sobald sich ein Biofilm gebildet hat, wird getestet, welche Ionenkonzentrationen oder welche Stoffwechselleistungen (z. B. die Freisetzung von Phosphat, Spaltung von Harnstoff, Oxidation von Eisen) der Bakterien dazu führen, dass sich Mineralpräzipitate verschiedener Art auf den Blättern ausbilden. Die Vorergebnisse aus der ersten Förderperiode haben außerdem gezeigt, dass die abbauende Aktivität der Mikroorganismen gestoppt oder verlangsamt werden muss, damit die Fossilisierung fortgesetzt werden kann. Dies geschieht nach der Einbettung ins Sediment vermutlich über die Freisetzung von toxischen Schwermetallionen aufgrund der Säureproduktion der Bakterien unter Sauerstoffabschluss. Deshalb soll auch der Effekt von Schwermetallen im Laborsystem untersucht werden, um ein mechanistisches Bild einer frühen Phase der Blattfossilisierung zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2685: Die Grenzen des Fossilberichtes: Analytische und experimentelle Ansätze zum Verständnis der Fossilisation
• Mitverantwortlich: Dr. Moritz Liesegang