{"id":495,"date":"2019-05-26T09:26:49","date_gmt":"2019-05-26T09:26:49","guid":{"rendered":"http:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/?p=495"},"modified":"2019-06-05T07:46:36","modified_gmt":"2019-06-05T07:46:36","slug":"hard-rock-and-heavy-metal-join-the-microbial-deep-sea-party-hard-rock-und-heavy-metal-eine-mikrobielle-tiefseeparty","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/2019\/05\/26\/hard-rock-and-heavy-metal-join-the-microbial-deep-sea-party-hard-rock-und-heavy-metal-eine-mikrobielle-tiefseeparty\/","title":{"rendered":"Hard Rock and Heavy Metal: join the microbial deep-sea party! \/ Hard Rock und Heavy Metal: eine mikrobielle Tiefseeparty!"},"content":{"rendered":"\n

by Dr. Julia Otte, AWI and Jessica Volz, AWI<\/p>\n\n\n\n

(deutsch s. u.)<\/em><\/p>\n\n\n\n

What gravity cores can tell us about the biogeochemistry of the Deep<\/strong><\/p>\n\n\n\n

The deep sea has fascinated mankind\nsince the early odysseys across the oceans \u2013 many myths have been told about\nthe depths of the sea with the dreaded Kraken and Moby Dick, sea serpents, and\nmermaids. So far during this cruise, we have not found any signs of such\nmystical creatures. However, there are much smaller, yet not less astonishing\norganisms inhabiting the deep sea, which are known as microorganisms, <\/em>or microbes<\/em>!\n<\/p>\n\n\n\n

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<\/em>, Archaea<\/em>, Fungi<\/em>, and also Viruses<\/em> (read the Blog: \u201cThe microbial world in the deep-sea<\/em>\u201d<\/strong>). 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.<\/p>\n\n\n\n

Microorganisms are not only found on the seafloor and in manganese nodules \u2013 they also live deep inside the sediments. Marine sediments are sort of the \u201cdirt\u201d of the oceans \u2013 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<\/em> and inorganic compounds such as minerals (\u201chard rock<\/strong>\u201d)<\/em>, 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<\/strong>). 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<\/strong>). Yet, the availability of organic material is crucial as it is the main food source for microorganisms living in the subseafloor sediments \u2013 how do these microbes survive under such starved conditions?<\/p>\n\n\n\n

To explore the microbial life in\ndeeply buried marine sediments as well as biogeochemical processes mediated by\nthe microbes a team of microbiologists and geochemists are onboard of the\nresearch vessel SONNE. For this purpose, long sediment cores of up to 5 meters\nare retrieved from the deep sea (Figure\n2<\/strong>). The sediment as well as the interstitial pore water is sampled and\npartly analyzed in the laboratories onboard. These long sediment cores are\nrecovered using a gravity corer \u2013 a frequently used coring tool in marine\nresearch, which penetrates into the sediments by gravity. The 12 cm wide\nplastic liner inside the steel barrel is usually nicely filled with sediments (Figure 3<\/strong>). Once the 5-meter-long\ngravity corer is back on deck, the plastic liner is cut into 1-meter-long\nsegments in order to be able to handle the core \u2013 one segment still weighs\nabout 20 kg and has to be carried into the cold room at 4\u00b0C \u2013 that\u2019s a nice\nworkout! <\/p>\n\n\n\n

After some time in the cold room, we\ncan start with the oxygen measurement using sensors, which we stick into the\nsediments through a tiny hole that was drilled into the liner shortly before\nmeasurement (Figure 3<\/strong>). The oxygen\nmeasurement takes several hours before the liner can be split into two halves \u2013\none half (archive half) is used for the core description, while the second half\n(working half) is used for geochemical and microbiological sampling.\nAfterwards, both halves are wrapped and packed for the long-term storage in the\ncore repository at GEOMAR (Kiel, Germany). The geochemical program onboard\nincludes the analyses of nutrients and metals (\u201cheavy metal<\/em><\/strong>\u201d) in the pore\nwater as well as the storage of pore water and sediment subsamples. For\nmicrobiology, sediment samples for cell counting, for viral production in the\ndeep sediments, and for extracellular enzyme activity tests. Additionally, for\nDNA and RNA extraction syringes of sediments were taken, which allows the\nmicrobiologists to identify the diversity of present and active microbial\ncommunity in the subseafloor sediments and how specific groups are distributed\nwith depth! Therefore, we are curious which kind of microbes we can find there:\nnew microbial groups or known species which are unexpected to be found under\nthese conditions like the famous cable bacteria (see \u201cLive cables over long\ndistances\u201d, Nature Review 2018).<\/p>\n\n\n\n

The measurements onboard give us a\nfirst glance of what is happening in the deep sediments: due to the limited\namount of organic material in the sediments, the microbes are on a strict diet.\nWe can monitor the microbial efficiency mainly via the availability of oxygen\nin the sediment cores. Oxygen enters the sediments from the overlying seawater\nat the bottom of the ocean and acts as reagent for the microbial consumption of\norganic material. In the sediments of the deep sea, the consumption of oxygen\nis very small compared to shallower areas close to the coast where much more\norganic material is deposited.\n\nAs part of the\nMiningImpact project<\/em>, we aim to improve our understanding of geochemistry\nand microbial life in the subseafloor of the German and Belgium CCZ area. The\nrole of microorganisms to the biogeochemical cycles for deep-sea ecosystems\nrepresents a further crucial baseline study for the evaluation of potential\nfuture mining impacts.\n\n\n\n<\/p>\n\n\n\n

\"What
Was passiert 5 m tief im Sediment der Tiefsee? Graphic: Jessica Volz, Julia Otte<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"Gravity
Schwerelot-Kern: 5 m Tiefsee-Sediment. Photo: Jessica Volz, Julia Otte<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"\"
Vom Kern an DEck zur Probennahme im Labor \/ From the core on deck to sampling in the ship’s lab. Photos: Julia Otte<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

von Dr. Julia Otte, AWI und Jessica Volz, AWI<\/em><\/p>\n\n\n\n

Was die Schwerelote \u00fcber die Biogeochemie der Tiefsee sagen k\u00f6nnen – oder Die Geochemie und das Leben in den tiefsten Tiefen<\/strong><\/em><\/p>\n\n\n\n

Die Tiefsee fasziniert die Menschheit seit den fr\u00fchen Odysseen \u00fcber die Ozeane – viele Mythen wurden \u00fcber die Tiefen des Meeres mit den gef\u00fcrchteten Kraken und Moby Dick, Seeschlangen und Meerjungfrauen erz\u00e4hlt. Bis jetzt haben wir auf dieser Ausfahrt keine Anzeichen f\u00fcr solche mystischen Kreaturen gefunden. Es gibt jedoch viel kleinere, aber nicht weniger erstaunliche Organismen in der Tiefsee, die als <\/em>Mikroorganismen oder <\/em>Mikroben bekannt sind!<\/em> <\/p>\n\n\n\n

Mikroorganismen sind Organismen, die nur durch ein Mikroskop beobachtet werden k\u00f6nnen, da ihre Gr\u00f6\u00dfe im Mikrometerbereich liegt. Die Definition von Mikroorganismen umfasst viele Arten aus verschiedenen Gruppen kleiner Lebensformen: <\/em>Bakterien, <\/em>Arch\u00e4en, <\/em>Pilze und auch <\/em>Viren (dazu k\u00f6nnt ihr auch unseren Blogbeitrag “Die mikrobielle Welt in der Tiefsee” lesen). Auf dem Tiefseeboden herrscht stetige Dunkelheit, das hei\u00dft kein Licht dringt bis in diese Tiefen ein. Daher sind die meisten der dort lebenden Organismen auf N\u00e4hrstoffe angewiesen, die aus organischem Material aus der photischen Zone (Oberfl\u00e4chenwasser) zur\u00fcckzuf\u00fchren 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!<\/em><\/p>\n\n\n\n

Tiefseesedimente beherbergen den gr\u00f6\u00dften Teil der Bakterien, Arch\u00e4en und Viren auf der Erde, die eine unerwartet gro\u00dfe Artenvielfalt in diesen Tiefen zeigen. Es wurden sogar Mikroorganismen in marinen Sedimenten bis zu einer Tiefe von etwa 2000 m unter dem Meeresboden gefunden. Sch\u00e4tzungen 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 dar\u00fcber bekannt. Die vielf\u00e4ltigen Stoffwechsel, die Zusammensetzung und Variabilit\u00e4t der mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Tiefsee-Lebensr\u00e4umen sind weitgehend unbekannt.<\/em> <\/p>\n\n\n\n

Mikroorganismen sind nicht nur auf dem Meeresboden und in Manganknollen zu finden – sie leben also auch tief in den Sedimenten. Marine Sedimente, also der \u201edreckiger Matsch\u201c 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\u201c), die haupts\u00e4chlich durch Schwerkraft auf dem Meeresboden ablagern. W\u00e4hrend organischer Detritus haupts\u00e4chlich Fragmente von toten Meeresorganismen und F\u00e4kalienmaterial umfassen, die aus dem produktiven Oberfl\u00e4chenwasser absinken, werden Schalenreste von Algen nach ihrem Tod ebenfalls auf dem Meeresboden abgelagert (Abbildung 1). Minerale werden \u00fcber Fl\u00fcsse vom Festland in die Ozeane transportiert oder k\u00f6nnen durch vulkanische Aktivit\u00e4t am Meeresboden abgelagert werden. Da unser Arbeitsgebiet mehr als 1000 Kilometer von der s\u00fcdamerikanischen K\u00fcste 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 Verf\u00fcgbarkeit von organischem Material ist f\u00fcr das Leben da unten entscheidend, da es die Hauptnahrungsquelle f\u00fcr Mikroorganismen ist, die in den Sedimenten unter dem Meeresboden leben \u2013 also wie \u00fcberleben diese Mikroorganismen mit den wenigen Nahrungsquellen und st\u00e4ndigen Di\u00e4ten?<\/em><\/p>\n\n\n\n

Um das mikrobielle Leben in den tiefen marinen Sedimenten sowie die biogeochemische Prozesse, die von den Mikroorganismen unterst\u00fctzt 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 L\u00e4nge mit einem Gravitationskern gewonnen – einem in der Meeresforschung h\u00e4ufig 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 gef\u00fcllt (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\u00b0C in den K\u00fchlraum getragen werden – das ist ein tolles Armtraining! Das Sediment sowie das interstitielle Porenwasser werden in den bordeigenen Laboren entnommen und analysiert.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Nach einiger Zeit im K\u00fchlraum k\u00f6nnen 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 H\u00e4lften aufgeteilt werden kann – eine H\u00e4lfte (Archivh\u00e4lfte) wird f\u00fcr die Kernbeschreibung verwendet, w\u00e4hrend die zweite H\u00e4lfte (Arbeitsh\u00e4lfte) f\u00fcr geochemische und mikrobiologische Proben verwendet wird. Anschlie\u00dfend werden beide H\u00e4lften eingewickelt und f\u00fcr die Langzeitlagerung im GEOMAR (Kiel, Deutschland) verpackt. Zu den geochemischen Analysen an Bord z\u00e4hlen die Quantifizierung von N\u00e4hrstoffen und Metallen (“Heavy Metal”) im Porenwasser sowie in Sedimenten. F\u00fcr die Mikrobiologie werden Sedimentproben zur Zellz\u00e4hlung, zur Untersuchung von Viren und f\u00fcr mikrobielle Aktivit\u00e4tstests gewonnen. Zus\u00e4tzlich werden f\u00fcr die DNA- und RNA-Extraktion Sedimentproben entnommen, die es den Mikrobiologen erm\u00f6glichen, 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 k\u00f6nnen: neue mikrobielle Gruppen oder bekannte Arten, bei denen aber unklar ist, ob sie auch in diesen Tiefseehabitaten zu finden sind, wie zum Beispiel die ber\u00fchmten Kabelbakterien (siehe “Lebendige Kabel \u00fcber weite Strecken”\/\u201eLive cables over long distances\u201c, Nature Review 2018).<\/em><\/p>\n\n\n\n

Im Rahmen des MiningImpact Projekts wollen wir unser Verst\u00e4ndnis 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 m\u00f6glicher zuk\u00fcnftiger Auswirkungen des Bergbaus dar.<\/em><\/p>\n\n\n\n


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