Decoding the microbial signature in the formation of Hells Bells underwater speleothems on the Yucatán Peninsula, Mexico
Creators: name: Leberecht, Kerstin Meike
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022

description: In Zusammenhang mit steigenden Temperaturen ist in Zukunft mit einer verstärkten Eutrophierung und Stratifizierung zu rechnen, was zur Ausbreitung von Sauerstoffminimumzonen führt. Sauerstoffminimumzonen bilden wiederum die Grundlage für das verstärkte Aufkommen von sulfidischen Wasserzonen. Mikroben können eine wichtige Rolle bei der Entgiftung von Schwefelwasserstoff spielen. Pelagische Redoxklinen als biogeochemische Transformationszonen stellen ideale Umgebungen dar, um die komplexe Rolle von Mikroorganismen in diesem Prozess und die entsprechenden wichtigen Kontrollfaktoren zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde die mikrobielle Ökologie der Redoxkline der Cenote El Zapote auf der Yucatán Halbinsel untersucht. In der Cenote El Zapote wurden die größten Unterwasser-Speläotheme der Welt, die sogenannten Hells Bells, entdeckt. Frühere Studien zur Hydrogeochemie der Cenote deuteten darauf hin, dass die Entwicklung der Kalzitformationen höchstwahrscheinlich auf mikrobieller Aktivität in der Redoxkline beruht. Um zu klären, ob diese enigmatischen Kalkstrukturen durch mikrobiell induzierte Mineralisierung entstehen, wurde die funktionelle Vielfalt der verschiedenen Subbiotope (Süßwasser, Halokline, Redoxkline, Biofilm auf den Speläothemen) mittels 16S rRNA-Amplikonsequenzierung bestimmt und mit einem metagenomischen und -transkriptomischen Profiling der mikrobiellen Gemeinschaft verbunden, um die mikrobiellen Hauptakteure und ihre vielfältigen Stoffwechselaktivitäten zu identifizieren. Diese Studie konnte aufdecken, dass chemolithoautotrophe Hydrogenophilales in dieser elektronenakzeptorlimitierten Umgebung eine unvollständige nitratgetriebene Sulfidoxidation mit elementarem Schwefel als Hauptprodukt anstelle von Sulfat katalysieren. Dieser protonenverbrauchende Prozess ist für eine leichte lokale pH-Verschiebung ins Alkalische verantwortlich, welche wiederum Kalzitfällung und schließlich die Bildung der Trübeschicht und das Wachstum der Hells Bells fördert. Auf Grundlage dieser Schlussfolgerung wurde Kalzitfällung durch diese Stoffwechselaktivität mit Hilfe von mikrofluidischen Chip-Systemen im Labormaßstab untersucht und erfolgreich bestätigt. Folglich konnten die Kernaussagen vorrausgehender hydrogeochemischer Studien beleget werden. Ein Teilprojekt, das auf den metatranskriptomischen Daten basierte, ermöglichte es sogar, die Grundlage für eine antikörperbasierte Isolierungsmethode zur Anreicherung von Thaumarchaeota aus der Redoxkline von El Zapote zu schaffen. Um den Ursprung von Hells Bells besser zu verstehen, wurde als Nächstes die mikrobielle Ökologie der Redoxkline von Cenote Angelita untersucht, die keine Speläotheme aufweist. Metatranskriptomische Analysen zeigten, dass photolithoautotrophe Chlorobiales und chemolithoautotrophe Campylobacterales eine zentrale Rolle spielen. Die anoxygene Photosynthese und anaerobe Sulfidoxidation mit dem Hauptprodukt Sulfat bewirken in dem weniger elektronenakzeptorlimitierten Redoxregime eine pH-Absenkung, die wiederum zu einer Kalzituntersättigung und Hemmung der Kalzitfällung führt. Mit dieser Studie konnten die mikrobiellen Hauptakteure, ihre komplexen Stoffwechselwege und Schlüsselgene, die am biogeochemischen Kreislauf in diesen Redoxklinen beteiligt sind, aufgedeckt und damit das Verständnis des Wachstums von Hells Bells auf eine molekularbiologische Ebene gehoben werden.