Hard Rock and Heavy Metal: join the microbial deep-sea party! / Hard Rock und Heavy Metal: eine mikrobielle Tiefseeparty!

Deep-sea sediment. / Tiefsee-Sediment. Photo: Jessica Volz, Julia Otte Deep-sea sediment. / Tiefsee-Sediment. Photo: Jessica Volz, Julia Otte

by Dr. Julia Otte, AWI and Jessica Volz, AWI

(deutsch s. u.)

What gravity cores can tell us about the biogeochemistry of the Deep

The deep sea has fascinated mankind since the early odysseys across the oceans – many myths have been told about the depths of the sea with the dreaded Kraken and Moby Dick, sea serpents, and mermaids. So far during this cruise, we have not found any signs of such mystical creatures. However, there are much smaller, yet not less astonishing organisms inhabiting the deep sea, which are known as microorganisms, or microbes!

Microorganisms are organisms which can be seen only through a microscope. Their size is in the Micrometer range. The definition of microorganisms involves many species from different groups of small life forms: e. g. Bacteria, Archaea, Fungi, and also Viruses (read the Blog: “The microbial world in the deep-sea). No light penetrates to the deep seafloor, and most of the organisms that live there rely on substances of sinking organic matter produced in the photic zone. For this reason, scientists once assumed that life would be sparse in the deep ocean, but virtually every sample has revealed that, on the contrary, life is abundant in the deep ocean. Deep-sea sediments host the largest fraction of Bacteria, Archaea, and Viruses on Earth, and potentially, a high diversity. Microorganisms of subseafloor sediments have been estimated to constitute as much as one-third of Earth`s total living biomass. Despite the ubiquity of life in subseafloor sediments, little is known about it. The diversity of metabolic activities, the composition of its communities, and the nature of its variation from one environment to another are largely unknown.

Microorganisms are not only found on the seafloor and in manganese nodules – they also live deep inside the sediments. Marine sediments are sort of the “dirt” of the oceans – maybe not the most preferable habitat to live in, or is it? The sediments are generally composed of small particles of organic origin such as detritus and inorganic compounds such as minerals (“hard rock”), which settle down through the water column and deposit on the seafloor mainly by gravity. While organic detritus mainly comprises fragments of dead marine organisms and fecal material, which sink down from the productive surface ocean, shell remains from algae are also deposited on the seafloor after their death (Figure 1). Minerals are transported from land to the oceans through rivers or can be supplied through volcanic activity to the seafloor. As our working area is more than 1000 kilometers away from the coast of South America, the input of land-derived material to the deep seafloor is very small. At the same time, as vitally important food sources are limited in the surface waters of the open ocean, not many marine organisms are found here. As a consequence, only small amounts of organic remains rain down to the seafloor of more than 4000 m water depth (Figure 1). Yet, the availability of organic material is crucial as it is the main food source for microorganisms living in the subseafloor sediments – how do these microbes survive under such starved conditions?

To explore the microbial life in deeply buried marine sediments as well as biogeochemical processes mediated by the microbes a team of microbiologists and geochemists are onboard of the research vessel SONNE. For this purpose, long sediment cores of up to 5 meters are retrieved from the deep sea (Figure 2). The sediment as well as the interstitial pore water is sampled and partly analyzed in the laboratories onboard. These long sediment cores are recovered using a gravity corer – a frequently used coring tool in marine research, which penetrates into the sediments by gravity. The 12 cm wide plastic liner inside the steel barrel is usually nicely filled with sediments (Figure 3). Once the 5-meter-long gravity corer is back on deck, the plastic liner is cut into 1-meter-long segments in order to be able to handle the core – one segment still weighs about 20 kg and has to be carried into the cold room at 4°C – that’s a nice workout!

After some time in the cold room, we can start with the oxygen measurement using sensors, which we stick into the sediments through a tiny hole that was drilled into the liner shortly before measurement (Figure 3). The oxygen measurement takes several hours before the liner can be split into two halves – one half (archive half) is used for the core description, while the second half (working half) is used for geochemical and microbiological sampling. Afterwards, both halves are wrapped and packed for the long-term storage in the core repository at GEOMAR (Kiel, Germany). The geochemical program onboard includes the analyses of nutrients and metals (“heavy metal”) in the pore water as well as the storage of pore water and sediment subsamples. For microbiology, sediment samples for cell counting, for viral production in the deep sediments, and for extracellular enzyme activity tests. Additionally, for DNA and RNA extraction syringes of sediments were taken, which allows the microbiologists to identify the diversity of present and active microbial community in the subseafloor sediments and how specific groups are distributed with depth! Therefore, we are curious which kind of microbes we can find there: new microbial groups or known species which are unexpected to be found under these conditions like the famous cable bacteria (see “Live cables over long distances”, Nature Review 2018).

The measurements onboard give us a first glance of what is happening in the deep sediments: due to the limited amount of organic material in the sediments, the microbes are on a strict diet. We can monitor the microbial efficiency mainly via the availability of oxygen in the sediment cores. Oxygen enters the sediments from the overlying seawater at the bottom of the ocean and acts as reagent for the microbial consumption of organic material. In the sediments of the deep sea, the consumption of oxygen is very small compared to shallower areas close to the coast where much more organic material is deposited. As part of the MiningImpact project, we aim to improve our understanding of geochemistry and microbial life in the subseafloor of the German and Belgium CCZ area. The role of microorganisms to the biogeochemical cycles for deep-sea ecosystems represents a further crucial baseline study for the evaluation of potential future mining impacts.

What happens 5 m deep in the deep-sea sediment? / Was passiert 5 m tief im Sediment der Tiefsee? Graphic: Jessica Volz, Julia Otte
Was passiert 5 m tief im Sediment der Tiefsee? Graphic: Jessica Volz, Julia Otte
Gravity core: 5 m deep-sea sediment. / Gravitationskern: 5 m Tiefsee-Sediment. Photo: Jessica Volz, Julia Otte
Schwerelot-Kern: 5 m Tiefsee-Sediment. Photo: Jessica Volz, Julia Otte
Vom Kern an DEck zur Probennahme im Labor / From the core on deck to sampling in the ship’s lab. Photos: Julia Otte

von Dr. Julia Otte, AWI und Jessica Volz, AWI

Was die Schwerelote über die Biogeochemie der Tiefsee sagen können – oder Die Geochemie und das Leben in den tiefsten Tiefen

Die Tiefsee fasziniert die Menschheit seit den frühen Odysseen über die Ozeane – viele Mythen wurden über die Tiefen des Meeres mit den gefürchteten Kraken und Moby Dick, Seeschlangen und Meerjungfrauen erzählt. Bis jetzt haben wir auf dieser Ausfahrt keine Anzeichen für solche mystischen Kreaturen gefunden. Es gibt jedoch viel kleinere, aber nicht weniger erstaunliche Organismen in der Tiefsee, die als Mikroorganismen oder Mikroben bekannt sind!

Mikroorganismen sind Organismen, die nur durch ein Mikroskop beobachtet werden können, da ihre Größe im Mikrometerbereich liegt. Die Definition von Mikroorganismen umfasst viele Arten aus verschiedenen Gruppen kleiner Lebensformen: Bakterien, Archäen, Pilze und auch Viren (dazu könnt ihr auch unseren Blogbeitrag “Die mikrobielle Welt in der Tiefsee” lesen). Auf dem Tiefseeboden herrscht stetige Dunkelheit, das heißt kein Licht dringt bis in diese Tiefen ein. Daher sind die meisten der dort lebenden Organismen auf Nährstoffe angewiesen, die aus organischem Material aus der photischen Zone (Oberflächenwasser) zurückzuführen sind (Abbildung 1). Aus diesem Grund sind die Wissenschaftler einst davon ausgegangen, dass kaum Leben im tiefen Ozean vorhanden ist. Aber wie sich gezeigt hat, wimmelt der Tiefseeboden von Leben!

Tiefseesedimente beherbergen den größten Teil der Bakterien, Archäen und Viren auf der Erde, die eine unerwartet große Artenvielfalt in diesen Tiefen zeigen. Es wurden sogar Mikroorganismen in marinen Sedimenten bis zu einer Tiefe von etwa 2000 m unter dem Meeresboden gefunden. Schätzungen zufolge machen Mikroorganismen aus dem Meeresboden bis zu einem Drittel der gesamten lebenden Biomasse der Erde aus. Obwohl die Tiefseesedimente von Leben wimmeln, ist wenig darüber bekannt. Die vielfältigen Stoffwechsel, die Zusammensetzung und Variabilität der mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Tiefsee-Lebensräumen sind weitgehend unbekannt.

Mikroorganismen sind nicht nur auf dem Meeresboden und in Manganknollen zu finden – sie leben also auch tief in den Sedimenten. Marine Sedimente, also der „dreckiger Matsch“ der Ozeane, sind vielleicht nicht der beste Lebensraum zum Leben, oder? Die Sedimente der Tiefsee bestehen im Allgemeinen aus kleinen Partikeln organischer Herkunft wie Detritus und anorganischen Verbindungen wie Mineralen (“Hard Rock“), die hauptsächlich durch Schwerkraft auf dem Meeresboden ablagern. Während organischer Detritus hauptsächlich Fragmente von toten Meeresorganismen und Fäkalienmaterial umfassen, die aus dem produktiven Oberflächenwasser absinken, werden Schalenreste von Algen nach ihrem Tod ebenfalls auf dem Meeresboden abgelagert (Abbildung 1). Minerale werden über Flüsse vom Festland in die Ozeane transportiert oder können durch vulkanische Aktivität am Meeresboden abgelagert werden. Da unser Arbeitsgebiet mehr als 1000 Kilometer von der südamerikanischen Küste entfernt ist, ist der Eintrag von Festlandmaterial in den Tiefseeboden sehr gering. Da die lebenswichtigen Nahrungsquellen in mehr als 4000 m Wassertiefe begrenzt sind, erscheint es schwierig hier viele Meeresorganismen zu finden (Abbildung 1). Die Verfügbarkeit von organischem Material ist für das Leben da unten entscheidend, da es die Hauptnahrungsquelle für Mikroorganismen ist, die in den Sedimenten unter dem Meeresboden leben – also wie überleben diese Mikroorganismen mit den wenigen Nahrungsquellen und ständigen Diäten?

Um das mikrobielle Leben in den tiefen marinen Sedimenten sowie die biogeochemische Prozesse, die von den Mikroorganismen unterstützt werden, zu erforschen, ist ein Team von Mikrobiologen und Geochemikern hier an Bord des Forschungsschiffes SONNE. Dazu werden lange Sedimentkerne von bis zu 5 Metern Länge mit einem Gravitationskern gewonnen – einem in der Meeresforschung häufig verwendeten Bohrwerkzeug, das durch Schwerkraft in die Sedimente eindringt (Abbildung 2). Die 12 cm breite Kunststoffauskleidung im Inneren des Stahlbohrers ist in der Regel gut mit Sedimenten gefüllt (Abbildung 3). Sobald der 5 Meter lange Schwerelot wieder an Deck ist, wird der Kunststoffliner in 1 Meter lange Segmente geschnitten. Ein Segment wiegt noch etwa 20 kg und muss bei 4°C in den Kühlraum getragen werden – das ist ein tolles Armtraining! Das Sediment sowie das interstitielle Porenwasser werden in den bordeigenen Laboren entnommen und analysiert.

Nach einiger Zeit im Kühlraum können wir dann mit den Sauerstoffmessungen mithilfe von sehr zerbrechlichen Sauerstoffsensoren beginnen, die wir durch ein winziges Loch, das kurz vor der Messung in den Liner gebohrt wurde, in die Sedimente eintauchen (Abbildung 3). Die Sauerstoffmessung dauert mehrere Stunden, bis der Liner in zwei Hälften aufgeteilt werden kann – eine Hälfte (Archivhälfte) wird für die Kernbeschreibung verwendet, während die zweite Hälfte (Arbeitshälfte) für geochemische und mikrobiologische Proben verwendet wird. Anschließend werden beide Hälften eingewickelt und für die Langzeitlagerung im GEOMAR (Kiel, Deutschland) verpackt. Zu den geochemischen Analysen an Bord zählen die Quantifizierung von Nährstoffen und Metallen (“Heavy Metal”) im Porenwasser sowie in Sedimenten. Für die Mikrobiologie werden Sedimentproben zur Zellzählung, zur Untersuchung von Viren und für mikrobielle Aktivitätstests gewonnen. Zusätzlich werden für die DNA- und RNA-Extraktion Sedimentproben entnommen, die es den Mikrobiologen ermöglichen, die vorhandenen und aktiven Mitglieder der mikrobiellen Gemeinschaft in den Sedimenten zu identifizieren und die uns helfen zu verstehen wie bestimmte mikrobielle Gruppen in der Tiefe verteilt sind! Deshalb sind wir sehr gespannt, welche Mikroben wir dort unten finden können: neue mikrobielle Gruppen oder bekannte Arten, bei denen aber unklar ist, ob sie auch in diesen Tiefseehabitaten zu finden sind, wie zum Beispiel die berühmten Kabelbakterien (siehe “Lebendige Kabel über weite Strecken”/„Live cables over long distances“, Nature Review 2018).

Im Rahmen des MiningImpact Projekts wollen wir unser Verständnis von der Geochemie und vom mikrobiellem Leben im der Tiefsee des deutschen und belgischen CCZ-Gebietes verbessern. Die Rolle von Mikroorganismen in den biogeochemischen Zyklen der Tiefsee stellt eine weitere wichtige Grundlagenstudie zur Bewertung möglicher zukünftiger Auswirkungen des Bergbaus dar.


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