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Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie – Arbeitsgruppe für Umwelt- und Atmosphärenchemie

Die Hauptarbeitsgebiete der Arbeitsgruppe liegen im Bereich der organischen und anorganischen Spurenanalytik unter Einsatz und Weiterentwicklung massenspektrometrischer Methoden, oft in Kombination mit chromatographischen Verfahren.

An der Forschung in der Bleßberghöhle beteiligt sich die Gruppe durch Rekonstruktion der Vegetation über der Höhle durch Analyse von Biopolymeren in Stalagmiten und durch Analyse von biochemischen Feuer-Markern in Boden-, Wasser- und Stalagmitproben.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Thorsten Hoffmann ↗

Webseite

https://www.ak-hoffmann.chemie.uni-mainz.de/wissenschaftlicher-werdegang/ ↗

Publikationen

Erste Rekonstruktion des Klimas des Holozäns

Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Wenz, Sarah; Leonhardt, Jens; Tjallingii, Rik; Scholz, Denis; Jochum, Klaus-Peter; Marwan, Norbert

A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, S. EGU2016-14213, 2016.

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Die ersten Ergebnisse der geochemischen Analysen der drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3 lassen bereits Aussagen über die klimatischen Veränderungen des Klimas der letzten 14.000 Jahre zu. Eine ausführliche Interpretation findet sich im Beitrag Klimazonenverschiebung in Mitteleuropa.

Erste Ergebnisse aus Analysen von BB-1 bis BB-3

Biomineralisation von Kalzit durch Bakterienisolate

Keiner, Robert; Frosch, Torsten; Hanf, Stefan; Rusznyak, Anna; Akob, Denise M; Küsel, Kirsten; Popp, Jürgen

Raman Spectroscopy—An Innovative and Versatile Tool To Follow the Respirational Activity and Carbonate Biomineralization of Important Cave Bacteria Artikel

Analytical Chemistry, 85 (18), S. 8708–8714, 2013.

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Rusznyák, Anna; Akob, Denise M; Nietzsche, Sándor; Eusterhues, Karin; Totsche, Kai Uwe; Neu, Thomas R; Frosch, Torsten; Popp, Jürgen; Keiner, Robert; Geletneky, Jörn; Katzschmann, Lutz; Schulze, Ernst-Detlef; Küsel, Kirsten

Calcite Biomineralization by Bacterial Isolates from the Recently Discovered Pristine Karstic Herrenberg Cave Artikel

Applied and Environmental Microbiology, 78 (4), S. 1157–1167, 2012.

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Anhand von Stalaktitenmaterial und fluvialenfluvial Durch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. Sedimenten aus der Bleßberghöhle wurde die Vielfalt und Aktivität der enthaltenen Bakterien und deren Bildung von Karbonatmineralen erforscht. Dazu wurden verschiedenste Techniken wie phylogenetische Analysenphylogenetische Analyse Molekularbiologische Untersuchung evolutionärer Verwandtschaftsverhältnisse von Organismen (z. B. durch Abgleich von Erbinformationen)., BakterienkultivierungBakterienkultivierung Für weitergehende Untersuchungen werden Bakterien im Labor auf geeigneten Nährlösungen vermehrt., ElektronenmikroskopieElektronenmikroskopie Spezielle Art der Mikroskopie, die Elektronen statt Licht verwendet, um eine deutlich höhere Auflösung zu erzielen., RöntgenspektroskopieRöntgenspektroskopie Ein spezielles Analyseverfahren, bei dem mittels Röntgenstrahlen die interne Struktur von Objekten untersucht werden kann., konfokale Laser-Scanning-Mikroskopiekonfokale Laser-Scanning-Mikroskopie Eine spezielle Art der Mikroskopie, bei der ein stark fokussierter Laserstrahl das Objekt abtastet, um eine höhere Auflösung als bei herkömmlichen Lichtmikroskopen zu erreichen. und RamanspektroskopieRamanspektroskopie Ein spezielles Verfahren zur Untersuchung von Materialeigenschaften, bei dem die unterschiedlichen Frequenzen des am Objekt gestreuten Lichtes zur Interpreation genutzt werden. angewendet.

Auf der Oberfläche und im Inneren der Stalaktiten wurden Bakterien mithilfe von konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie gefunden. Phylogenetische Analysen zeigten, dass an und in den Stalaktiten und auch in den fluvialen Sedimenten ProteobakterienProteobakterien Eine Gruppe von Bakterien, zu denen viele wichtige stickstofffixierende Bakterien und Krankheitserreger gehören. am häufigsten in der Bakteriengemeinschaft vertreten waren, aber auch andere Gruppen wie ActinobakterienActinobakterien Eine der artenreichsten Gruppe von Bakterien, die sich u. a. durch einen hohen Anteil der Nukleinbasen in ihrer Bakterien-DNS auszeichnen. oder FirmicutesFirmicutes Eine artenreiche Gruppe innerhalb der Bakterien. Unterscheiden sich von den Actinobakterien unter anderem durch ihren niedrigeren Gehalt an Nukleinbasen in der Bakterien-DNS.. Viele der detektierten Bakterien sind bisher unkultiviert.

Aus den Höhlensedimenten wurden insgesamt neun neue Bakterienkulturen isoliert, die auf alkalischem Karbonat-Fällungsmedium wuchsen und zu den Bakteriengattungen Arthrobacter, Flavobacterium, Pseudomonas, Rhodococcus, Serratia und Stenotrophomonas gehörten. Von diesen wurden die zwei mit der intensivsten PräzipitatbildungPräzipitat Niederschlag oder Bodensatz einer Flüssigkeit. für die weitere Forschung ausgewählt: Arthrobacter sulfonivorans SCM3 und Rhodococcus globerulus SCM4. Beide produzierten extrazelluläre polymere Substanzenextrazelluläre polymere Substanzen Langkettige, organische Verbindungen, die von Mikroorganismen außerhalb ihrer Zellstruktur gebildet und an die Umgebung abgegeben werden. (EPS) und wuchsen als Zell-Aggregate.

Rasterelektronenmikroskopie von Zellaggregaten und extrazellulärer polymerer Substanz (EPS) der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 und Rhodococcus globerulus SCM4
Rasterelektronenmikroskopie von Zellaggregaten und extrazellulärer polymerer Substanz (EPS) der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 (links) und Rhodococcus globerulus SCM4 (rechts) (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).

Die gebildeten Karbonatminerale waren Mischungen aus Kalzit, VateritVaterit Eine metastabile Modifikation von Kalziumkarbonat. und MonohydrokalzitMonohydrokalzit Eine Modifikation von wasserhaltigem Kalziumkarbonat.. Dabei bildete Arthrobacter sulfonivorans SCM3 xenomorphexenomorph Die Kristallgestalt des Minerals ist anders, als sie eigentlich sein sollte, z. B. weil das regelmäßige Wachstums des Kristalls gehemmt wurde. kugelförmige Kristalle, und Rhodococcus globerulus SCM4 idiomorpheidiomorph Die Kristallgestalt des Minerals ist ideal und entspricht den physikalischen, charakteristischen Eigenschaften des Minerals. Kristalle mit rhomboedrischer Morphologie.

Der Biomineralisierungsprozess von Arthrobacter sulfonivorans SCM3 wurde mittels einer Kombination aus Raman-Makro- und -Mikrospektroskopie weiter untersucht, um eine ortsaufgelöste chemische Darstellung der verschiedenen Arten von Kalziumkarbonat-Mineralen zu erhalten. Die Zell-Oberfläche von Arthrobacter sulfonivorans SCM3 diente als Keim für die Biomineralisation von Vaterit-Präzipitaten. Diese waren zunächst kugelförmig und wuchsen dann als chemisch stabile, steinbildende Kalzitkristalle mit rauen Kanten weiter.

Rasterelektronenmikroskopie von Präzipitaten der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 und Rhodococcus globerulus SCM4
Rasterelektronenmikroskopie von Präzipitaten der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 (links) und Rhodococcus globerulus SCM4 (rechts) (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).
Isolat und Präzipitate (Vorschau)

Diversität und Bedeutung von Höhlenbakterien bei der Bildung von Karbonatmineralen

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im Rahmen des Forschungsprojektes „AquaDiv@Jena“, gefördert durch die ProExzellenzinitiative des Freistaats Thüringen, und des Sonderforschungsbereiches 1076 „AquaDiva ↗“, gefördert durch die DFG

Projektleitung

Inhalt

Welche BiodiversitätBiodiversität Vielfalt biologischen Lebens ("Artenreichtum"). finden wir in unterirdischen Lebensräumen wie z. B. Höhlen? Welche Rolle spielen Bakterien in den biogeochemischen Kreisläufen der Erde? Welche Bakterien sind an der Bildung von Gesteinen beteiligt?

Karstgebiete sind besonders interessante unterirdische Lebensräume, da sie eines der wichtigsten natürlichen unterirdischen Kohlenstoffreservoirs der Erde darstellen. Höhlen sind wie ein Fenster in diese unterirdischen Lebensräume und ermöglichen die Erforschung unterirdischen mikrobiellenmikrobiell Durch kleinste Lebewesen (Mikroben) hervorgerufen oder beeinflußt. Lebens. Es kann jedoch schwierig sein, zwischen den mikrobiellen Lebensgemeinschaften zu unterscheiden, die unberührt bzw. einheimisch sind und denen, die von Tieren und Menschen in Höhlen eingebracht wurden. Die Bleßberghöhle bietet einen einzigartigen unberührten Standort für die Erforschung von aktiven Bakteriengemeinschaften in einem Karstsystem.

Anhand von Stalaktitenmaterial und fluvialenfluvial Durch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. Sedimenten aus der Bleßberghöhle wird die Vielfalt und Aktivität der enthaltenen Bakterien und deren Bildung von Karbonatmineralen erforscht. Dazu werden verschiedenste Techniken wie phylogenetische Analysenphylogenetische Analyse Molekularbiologische Untersuchung evolutionärer Verwandtschaftsverhältnisse von Organismen (z. B. durch Abgleich von Erbinformationen)., BakterienkultivierungBakterienkultivierung Für weitergehende Untersuchungen werden Bakterien im Labor auf geeigneten Nährlösungen vermehrt., ElektronenmikroskopieElektronenmikroskopie Spezielle Art der Mikroskopie, die Elektronen statt Licht verwendet, um eine deutlich höhere Auflösung zu erzielen., RöntgenspektroskopieRöntgenspektroskopie Ein spezielles Analyseverfahren, bei dem mittels Röntgenstrahlen die interne Struktur von Objekten untersucht werden kann., konfokale Laser-Scanning-Mikroskopiekonfokale Laser-Scanning-Mikroskopie Eine spezielle Art der Mikroskopie, bei der ein stark fokussierter Laserstrahl das Objekt abtastet, um eine höhere Auflösung als bei herkömmlichen Lichtmikroskopen zu erreichen. und RamanspektroskopieRamanspektroskopie Ein spezielles Verfahren zur Untersuchung von Materialeigenschaften, bei dem die unterschiedlichen Frequenzen des am Objekt gestreuten Lichtes zur Interpreation genutzt werden. angewendet.

Karbonat-Präzipitate des Bakterienisolates Rhodococcus globerulus SCM4
Karbonat-Präzipitate des Bakterienisolates Rhodococcus globerulus SCM4 aus der Bleßberghöhle. EDX-Kartierung unterlegt mit Graustufen-Rasterelektronenmikroskopie; die Falschfarben Rot, Grün und Blau zeigen das lokale Vorkommen der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Kalzium (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).

Ergebnisse

Sedimente vorschau

Monitoring der Kohlenstoff-Isotope

Projektleitung

Beteiligte Partner

Inhalt

Die Eingrenzung der Reaktion der Kohlenstoffdynamik im terrestrischen Systemterrestrisches System Geologische Vorgänge und Prozesse auf der Landfläche. auf die Klimaerwärmung ist entscheidend für verbesserte modellbasierte Vorhersagen.

Unser Ziel ist es, unser Wissen über die terrestrischeterrestrisches System Geologische Vorgänge und Prozesse auf der Landfläche. Kohlenstoffdynamik in Karstumgebungen und deren Reaktion, insbesondere von organischen Kohlenstoffreservoirs tief im Karst, auf Klimavariabilität deutlich zu verbessern. Dieses Ziel wird durch die Kombination neuer Informationen über den C-ZyklusKohlenstoff-Zyklus Chemische Umwandlung von Kohlenstoffverbindungen und deren Übergänge zwischen Lithosphäre, Hydrosphäre, Erdatmosphäre und Biosphäre. in heutigen Karstsystemen mit Informationen über die C-Zyklus-DynamikDynamik Die zeitliche Veränderung von Zuständen, wie z. B. die zyklische Änderung des Klimas zwischen Warm und Kaltzeiten. der Vergangenheit aus Speläothemen erreicht:

  1. Untersuchung der C-Dynamik in Höhlenumgebungen, insbesondere der Größe und Rolle des heutigen tiefen organischen Kohlenstoffs (OC) in Karstsystemen durch umfassende C-Überwachung. Dies umfaßt regelmäßige Probenahmen von Höhlenluft und Luft außerhalb der Höhle, Bodenluft, Tropfwasser, Bodensickerwasser, Karst-CO2 und rezenten Höhlenkarbonaten. Zusätzlich wird der organische Kohlenstoff entlang von Bodenprofilen von oberhalb der Höhle untersucht. Wir werden Analysen der CO2-Konzentrationen (wo zutreffend) sowie der δ13C- und 14C-Signatur auf monatlicher Basis über zwei Jahre durchführen. Zeitgleiche SpeläothemeSpeläothem Sekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw. werden mit der neuartigen LA-AMSLA-AMS Laser ablation mass spectrometry …-Technik (Welte et al. 2016) analysiert.
  2. Untersuchung, wie Speläotheme den oberflächlichen (Vegetation) und unterirdischen (Boden, Karst) C-Zyklus aufzeichnen, um die Reaktion der terrestrischen Ökosysteme, insbesondere des tiefen OC-Reservoirs, auf vergangene Klimaveränderungen zu verstehen. Dazu werden wir räumlich aufgelöste 14C-Analysen an Speläothemen durchführen, die vergangene schnelle Klimaveränderungen (< 25 ka BPka BP Mit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.) abdecken.
Logo ETH Zürich

ETH Zürich – Laboratorium für Ionenstrahlphysik Zürich

Das Labor für Ionenstrahlphysik (LIP) in Zürich ist eine der weltweit führenden Gruppen in der Entwicklung neuer Instrumente für Beschleuniger-MassenspektrometrieBeschleuniger-Massenspektrometrie Eine Form der Massenspektrometrie, die mit einem Teilchenbeschleuniger (fast immer ein Tandembeschleuniger) und zwei Massenspektrometern arbeitet. Damit wird das Verhältnis eines Isotops zu einem anderen Isotop desselben Elements gemessen. (AMS) und Ionenstrahl-Analysen (IBA).

Die Gruppe untersucht die DynamikDynamik Die zeitliche Veränderung von Zuständen, wie z. B. die zyklische Änderung des Klimas zwischen Warm und Kaltzeiten. des Kohlenstoffkreislaufs in der Höhlenumgebung.

Ansprechpartner

Caroline Welte ↗

Webseite

https://ams.ethz.ch/ ↗

Publikationen

gekippte Makaroni in der Bleßberghöhle (Vorschau)

Ursachen gekippter Makaroni

Projektleitung

Inhalt

In der Bleßberghöhle finden sich Bereiche mit gekippten und verbogenen Makaroni. Die Orientierung der Kippung geht dabei in verschiedene Richtungen, so daß gerichtete Wasserbewegung nahezu mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Alternative Hypothesen, z. B. Auftriebseffekte, werden untersucht.

Luminescence Reader (Vorschau)

Entwicklung und Anwendung alternativer Datierungsmethoden

Projektleitung

Inhalt

Entwicklung und Anwendung von Datierungsmethoden auf der Basis von LumineszenzThermolumineszenz-Datierung In manchen Mineralen (wie z. B. Kalzit) wird Energie in Form von Strahlenschäden (z. B. durch kosmische Strahlung) im Kristallgitter gespeichert. Durch Erhitzen kann diese gespeicherte Energie in Form von Licht freigesetzt und für die Datierung genutzt werden.- und Elektronenspinresonanz (ESR)-MethodenElektronenspinresonanz-Datierung Eine physikalische Datierungsmethode, die darauf beruht, daß die Menge magnetischer Anomalien im Probenmaterial proportional zur Lagerungszeit im Sediment ist.. Anhand von Proben aus der Blessberghöhle wird die Thermolumineszenz (TL)-DatierungThermolumineszenz-Datierung In manchen Mineralen (wie z. B. Kalzit) wird Energie in Form von Strahlenschäden (z. B. durch kosmische Strahlung) im Kristallgitter gespeichert. Durch Erhitzen kann diese gespeicherte Energie in Form von Licht freigesetzt und für die Datierung genutzt werden. von Speläothemen getestet, die das Potenzial hat, Kalzit auf bis zu ~2 Millionen Jahre zu datieren.

Geplant ist weiterhin die DatierungDatierung Um einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). von Höhlensedimenten.

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Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Biodiversität – Arbeitsgruppe Aquatische Geomikrobiologie

Die Arbeitsgruppe Aquatische Geomikrobiologie besteht seit 2004 und wird von Prof. Dr. Kirsten Küsel geleitet. Die Gruppe befasst sich mit der Rolle von Mikroorganismen in den biogeochemischen Kreisläufen der Erde. Hier sind Mikroben auch an der Mineralausfällung und -auflösung sowie der Sorption von organischem Material beteiligt. Die Forschung umfasst die Bereiche BiodiversitätBiodiversität Vielfalt biologischen Lebens ("Artenreichtum")., mikrobielle Interaktionen, Klimaschutz, Bergbau und die tiefe BiosphäreBiosphäre Gesamtheit aller Räume der Erde, in denen Lebewesen vorkommen..

Zur Bleßberghöhle wurden im Rahmen des Forschungsprojektes „AquaDiv@Jena“ und des SFB 1076 „AquaDiva“ ↗ die Vielfalt und Aktivität der enthaltenen Bakterien und deren Bildung von Karbonatmineralen erforscht.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Kirsten Küsel ↗

Webseite

https://www.geomicrobiology.uni-jena.de/ ↗

Publikationen

Keiner, Robert; Frosch, Torsten; Hanf, Stefan; Rusznyak, Anna; Akob, Denise M; Küsel, Kirsten; Popp, Jürgen

Raman Spectroscopy—An Innovative and Versatile Tool To Follow the Respirational Activity and Carbonate Biomineralization of Important Cave Bacteria Artikel

Analytical Chemistry, 85 (18), S. 8708–8714, 2013.

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Rusznyák, Anna; Akob, Denise M; Nietzsche, Sándor; Eusterhues, Karin; Totsche, Kai Uwe; Neu, Thomas R; Frosch, Torsten; Popp, Jürgen; Keiner, Robert; Geletneky, Jörn; Katzschmann, Lutz; Schulze, Ernst-Detlef; Küsel, Kirsten

Calcite Biomineralization by Bacterial Isolates from the Recently Discovered Pristine Karstic Herrenberg Cave Artikel

Applied and Environmental Microbiology, 78 (4), S. 1157–1167, 2012.

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Altersverteilung (Vorschau)

Datierungen und Permafrost in Mitteleuropa

Projektleitung

Beteiligte Partner

Inhalt

Wie verteilen sich U/ThU/Th-Datierung Die U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute.-DatierungenDatierung Um einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). an Höhlenkarbonaten in Europa über Zeit und Raum? Können diese zur raumzeitlichen Eingrenzung des PermafrostesPermafrost Unter Permafrost versteht man dauerhaft gefrorenen Boden, der auch im Sommer nicht auftaut. In Mitteleuropa gab es während den Eiszeiten Permafrost. in Europa genutzt werden?