Blog

Logo Univ Mainz

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.; Marwan, Norbert

Die Bleßberghöhle – ein Glücksfall für die Klimaforschung Buchkapitel mit eigenem Titel

In: e. V., Thüringer Höhlenverein (Hrsg.): Nächster Halt: Bleßberghöhle, Suhl, 2022.

Abstract | BibTeX

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 Konferenzbeitrag

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

Abstract | Links | BibTeX

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

In: Analytical Chemistry, Bd. 85, Nr. 18, S. 8708–8714, 2013.

Abstract | Links | BibTeX

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

In: Applied and Environmental Microbiology, Bd. 78, Nr. 4, S. 1157–1167, 2012.

Abstract | Links | BibTeX

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

Logo DFG

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

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.

Logo Uni Jena

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

In: Analytical Chemistry, Bd. 85, Nr. 18, S. 8708–8714, 2013.

Abstract | Links | BibTeX

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

In: Applied and Environmental Microbiology, Bd. 78, Nr. 4, S. 1157–1167, 2012.

Abstract | Links | BibTeX

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?

Karstmodell Vorschau

Karstmodellierung Schalkauer Platte

Projektleitung

Inhalt

Entwicklung eines KarstmodellsModell Ein Computermodell ist in der Regel eine Sammlung von vielen mathematischen Gleichungen, die verschiedene natürliche (physikalische, chemische, biologische) Vorgänge sehr gut mathematisch darstellen. Im Computer kann man das Modell mit verschiedenen Parameterwerten (z. B. verschiedene Häufigkeit von Klüften, verschiedene Temperatur) laufen lassen, wodurch man ein sehr gutes Verständnis der Zusammenhänge und Einflußfaktoren auf die zu untersuchenden Phänomene erhält. für den Bereich der Schalkauer Platte sowie den Tunnelbereich des Bleßbergtunnels. Tunnelbauten sind potentiell durch Wasserbewegung durch den Fels gefährdet. Besonders im stark durchlässigen Karst ist die Modellierung der Wasserwegsamkeiten zur Gefahrenbeurteilung von großer Bedeutung. Wie ändert sich das Verkarstungsverhalten durch große Bauwerke unter Tage? Wie ändert sich die Wasserbewegung durch Betoneinbau? Leidet möglicherweise die Grundwasserqualität? Welche Auswirkungen hat eine veränderte Wasserführung in der Bleßberghöhle (und in anderen Höhlen)? Diese und viele weitere Fragen sollen mit der Modellierung des Karstes angegangen werden.

Ergebnisse

Lehmbäumchen (Vorschau)

Sedimentanalysen

Projektleitung

Inhalt

Lehmbäumchen in der Bleßberghöhle
Lehmbäumchen in der Bleßberghöhle (Foto: K. Peterknecht).

Quantifizierung und Qualifizierung klastischer Höhlensedimenteklastische Sedimente Klastische Sedimente sind (i. d. R. lockere) Ablagerungen aus winzig kleinen bis größeren Gesteinsbruchstückchen (im Gegensatz zu chemischen Ablagerungen, wie eingedampftes Salz, oder Ablagerungen abgestorbener Organismen, wie Korallen und Muscheln). "Klastisch" bedeutet hier feste Gesteinsbruchstücke, die aus mechanischer Zerstörung anderer Gesteine entstehen. "Sedimente" sind durch Ablagerungen entstandene Gesteine. aus dem Karstgebiet der Schalkauer Platte. Ziel ist es, auf Basis mineralogischer und physikalischer Zusammensetzung die ProvenienzProvenienz Herkunft der Sedimente. der Sedimentkomponenten zu klären und verwitterungsbedingte makro- und mikro-morphischemakro- und mikro-morphische Makro- und mikro-morphische Veränderungen sind Oberflächenveränderungen an Gesteinsbruchstücken oder an Mineralpartikeln, die durch chemische und physikalische Verwitterung entstanden sind. Diese können durch optische Untersuchungsmethoden erkannt und interpretiert werden. Makro-morphologische Merkmale liegen im Zentimeter- bis Millimeter-Bereich, dabei kann es sich um Bruchstellen oder lösungsbedingte Rundung an Steinen oder Kies handeln. Mikro-morphologische Merkmale liegen im Millimeter- bis Mikrometer-Bereich und können bevorzugt durch Rasterelektronenmikroskope beobachtet werden. Sie können Auskunft über klimainduzierte chemische Lösung bzw. Ausfällungsbedingungen im Sediment geben. Veränderungen klimabedingten Umwelteinflüssen zuzuordnen. Weiterhin werden Bildungsbedingungen von Sedimentstrukturen wie zum Beispiel Lehmbäumchen und Sediment-Aggregate aus dem Höhlendeckenbereich („Schwalbennester“) auf Basis der Substrat-Zusammensetzung untersucht.