Molecular-isotopic studies of carbon turnover and microbial processes in an active subduction zone (Nan TroSEIZE)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt untersuchte den Kohlenstoffumsatz und damit verbundene mikrobiologische Prozesse in bis zu 867 m tiefen Sedimenten der Nanaki Subduktionszone vor Japan. Dafür wurden Daten und Proben verwendet, die auf den IODP Expeditionen 314-316 und 322 des Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment (NanTroSEIZE) gewonnen wurden. Angetrieben wurde unser Projekt durch die Frage, ob Fluidflüsse und erhöhte Temperaturen im Bereich der aktiven Subduktionszone die tiefe Biosphäre mit Kohlenstoff- und Energiequellen versorgen. Zuvor war an anderen Bohrlokationen im Nankai Trog (OPD Leg 201) ein Anstieg organischer Substrate mit der Sedimenttiefe und -temperatur beobachtet worden. Diese Studie sollte klären, ob erhöhte Temperaturen die Zersetzung schwer abbaubarer organischer Verbindungen zu Substraten erleichtern und die mikrobielle Aktivität steigern, oder ob sie die mikrobielle Aktivität hemmen und zu einer verminderten Substratumsetzung führen. Zu diesem Zweck führten wir qualitative, quantitative und isotopische Untersuchungen an intakten Membranlipiden (IPLs) und niedermolekularen Metaboliten wie z.B. Methan und Acetat durch, die durch die Zählung intakter mikrobieller Zellen und durch andere Daten unserer Kollaborationspartner ergänzt werden. Während anhand von Zellzählungen und IPL-Analysen auf die Größe und Zusammensetzung der mikrobiellen Lebensgemeinschaften in den tiefen Sedimenten geschlossen werden kann, erlaubt die quantitative und isotopische Analyse von wasserlöslichen Metaboliten in Porenwasserproben Aussagen zu in situ ablaufenden Stoffwechselprozessen. Darüber hinaus wurde die Zusammensetzung des gesamten gelösten organischen Materials (DOM) in Porenwasserproben mit Hilfe von 3D-Fluorescenzspektroskopie charakterisiert. Durch Unterscheidung verschiedener protein- und huminartiger Stoffgruppen konnte so der Anteil biologisch verfügbarer Verbindungen im DOM-Pool untersucht und der Beitrags mariner und terrestrischer DOM-Quellen unterschieden werden. Darüber hinaus wurden in Experimenten mit dem stabilen C-Isotope markierte Verbindungen (SIP) eingesetzt, um den Umsatz von 13C-markierten Substraten zu Zwischen- und Endprodukten zu verfolgen. Es zeigte sich, dass die Größe und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften stark durch die Temperatur beeinflusst werden. Zellkonzentrationen sanken rapide und die Lipidzusammensetzung der Zellmembranen änderte sich merklich in Sedimenttiefen, in denen in situ Temperaturen 40°C überschritten. In den gleichen Tiefenintervallen stiegen die Konzentrationen von Acetat und anderen Metaboliten im Porenwasser an, der proteinartige Anteil des DOM-Pools wuchs, und Methankonzentrationen nahmen zu. Unsere SIP Experimente unterstützen die Schlussfolgerung, dass bei erhöhten Temperaturen die Umsetzung von Substraten nachlässt. Während der Inkubation von Sedimenten bei in situ Temperatur- und Redoxbedingungen zeigte sich, dass 13C-markierte Glukose nur bei 37°C unter sulfatreduzierenden Bedingungen vollständig umgesetzt wurde, nicht jedoch bei höheren Temperaturen unter methanogenen Bedingungen. In den Experimenten wurde kein Methan gebildet, doch kann aus der isotopischen Zusammensetzung des im Porenwasser gelösten Methans, insbesondere an der Site C0011, auf biogene Methanogenese geschlossen werden. Eine Mischung des biogenen Methans mit thermogenem Methan, das einen tiefen Ursprung haben könnte, ist denkbar. Die merkliche Reduzierung von mikrobieller Aktivität und Abundanz sowie die qualitative Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaften beim Überschreiten von ~40°C könnte mit einem erhöhten Energiebedarf zur Aufrechterhaltung der Zellfunktionen zusammenhängen. An Site C0012 steigt der potenzielle Energiegewinn in größeren Tiefen an, in denen Sulfat aus der ozeanischen Kruste in das darüber liegende Sediment diffundiert, und eine Steigerung der mikrobiellen Aktivität ist sichtbar sowohl in erhöhten Sulfid-Konzentrationen im Porenwasser als auch in erhöhten IPL-Konzentrationen, obwohl in situ Temperaturen ~60° betragen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die erhöhten Temperaturen und die hydrogeologische Komplexität des Akkretionskeils den Kohlenstoffumsatz in den Sedimenten des Shikoku Beckens beeinflussen. Während sich die Migration hydrothermaler Fluide durch die Erwärmung der beeinflussten Sedimente auf die Zusammensetzung der tiefen Biosphäre auswirkt und den Umsatz von organischem Material hemmt, kann der Fluss von Fluiden in der ozeanischen Kruste den potenziellen Energiegewinn mikrobieller Gemeinschaften in den angrenzenden Sedimenten durch die Bereitstellung von Elektronenakzeptoren steigern.
