Eisen(II) oxidation durch metabolisch flexible phototrophe Bakterien unter komplexen geochemischen Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kappler, seit 4/2020
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 425707332

Viel von unserem grundlegenden Verständnis über mikrobielle mineralbildende Prozesse stammt von vereinfachten, modellhaften Laborsystemen mit mikrobiellen Reinkulturen. Normalerweise werden diese Experimente mit nur einem Energie- oder Kohlenstoffsubstrat durchgeführt die meist in unnatürlich hohen Konzentrationen zugegeben werden. In der Umwelt sind jedoch meist viele verschiedene Substratquellen gleichzeitig vorhanden, oft in geringen Konzentrationen. Es ist derzeit unbekannt, wie sich eisenmineralbildende Bakterien unter solchen Bedingungen mit niedrigen Konzentrationen gemischter Substrate verhalten. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn Mikroorganismen mit hoher metabolischer Flexibilität untersucht werden, die eine Vielzahl verschiedener Energie- und Kohlenstoffquellen nutzen können. In diesem Projekt schlagen wir deshalb einen multidisziplinären Ansatz vor, um den Einfluss von untereinander konkurrierenden Substraten auf die Raten und auf das Ausmaß der mikrobiellen Eisen(II)-Oxidation durch die metabolisch flexibelsten mineralbildenden Bakterien, den anoxygenen phototrophen Eisen(II)-Oxidierern, zu bestimmen. Unser Ziel ist es, ein grundlegendes Verständnis dafür zu entwickeln, wie sowohl mineralogische als auch biochemische Signaturen, die von diesen Bakterien hinterlassen werden, vom gleichzeitigen Vorhandensein verschiedener Substrate (Eisen(II), Acetat, Glukose, H2) beeinflusst werden. Um dies zu erreichen, werden wir die Substratpräferenz einer Reihe von anoxygenen phototrophen Eisen(II)-Oxidieren bei umweltrelevanten Substratkonzentrationen (in der Größenordnung von 10 Mikrometer bis mehreren 100 Mikrometer) untersuchen. Wir werden dann die mineralogischen und biochemischen Signaturen, die diese Bakterien hinterlassen, charakterisieren. Dies wird eine eingehende Charakterisierung des "mineralogischen Fingerabdrucks" (d.h. der geformten Minerale und Zell-Mineral-Aggregate) durch Mössbauer Spektroskopie, miniaturisierter Rückstreu-Mössbauer Spektroskopie (MIMOS II), Röntgenstrahlbeugung, Konfokal-Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) kryogen-fokussierte Ionenstrahl-Elektron-Mikroskopie (cryo-FIB-SEM) und Analyse der Zetapotentiale beinhalten. Diese mineralogische Analyse wird durch Proteomik ergänzt, um festzustellen, wie die Biochemie der Zelle unter den verschiedenen Substratbedingungen variiert. Dies wird es uns ermöglichen, einen umweltrelevanten "molekularen Fingerabdruck" für den Prozess der mikrobiellen Eisen(II)-Oxidation nachzuweisen. Um die Auswirkungen der miteinander konkurrierenden Substratkonzentrationen auf die Aktivität der phototrophen Eisen(II)-Oxidation in der Nature zu bestimmen, werden wir diese mineralogischen als auch mikrobiologischen Ansätze kombinieren, und zwar in exemplarischen Mikrokosmen mit marinem Sediment, in dem diese Mikroorganismen vorkommen. Letztendlich wird diese Arbeit ein umfassendes und einzigartiges Verständnis über die Kontrollmechanismen der Eisen(III)-Mineral-Bildung bei umweltrelevanten Bedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerinnen / Ehemalige Antragsteller: Casey Bryce, Ph.D., bis 4/2020; Dr. James Byrne, bis 4/2020