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.
@incollection{breitenbach_bbh2022,
title = {Die Bleßberghöhle – ein Glücksfall für die Klimaforschung},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Norbert Marwan},
editor = {Thüringer Höhlenverein e. V.},
year = {2022},
date = {2022-02-22},
urldate = {2022-02-22},
booktitle = {Nächster Halt: Bleßberghöhle},
address = {Suhl},
abstract = {Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {incollection}
}
Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.
@inproceedings{breitenbach2016,
title = {A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Wenz and Jens Leonhardt and Rik Tjallingii and Denis Scholz and Klaus-Peter Jochum and Norbert Marwan},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/05/Breitenbach_poster_EGU_2016.pdf},
year = {2016},
date = {2016-04-01},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {18},
pages = {EGU2016-14213},
abstract = {Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 230Th/U-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BP). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxies is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
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Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 230Th/U-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BPka BPMit "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.). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxiesProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.
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.
@article{Keiner2013,
title = {Raman Spectroscopy—An Innovative and Versatile Tool To Follow the Respirational Activity and Carbonate Biomineralization of Important Cave Bacteria},
author = {Robert Keiner and Torsten Frosch and Stefan Hanf and Anna Rusznyak and Denise M Akob and Kirsten Küsel and Jürgen Popp},
doi = {10.1021/ac401699d},
year = {2013},
date = {2013-09-01},
journal = {Analytical Chemistry},
volume = {85},
number = {18},
pages = {8708–8714},
abstract = {Raman gas spectrometry is introduced as a unique tool for the investigation of the respiratory activity that is indicative for growth of bacteria involved in biomineralization. Growth of these bacteria cannot be monitored using conventional turbidity-based optical density measurements due to concomitant mineral formation in the medium. The respiratory activity of carbonate-precipitating Arthrobacter sulfonivorans, isolated from the recently discovered Herrenberg Cave, was investigated during its lifecycle by means of innovative cavity-enhanced Raman gas analysis. This method allowed rapid and nonconsumptive online quantification of CO2 and O2 in situ in the headspace of the bacterial culture. Carbon dioxide production rates of A. sulfonivorans showed two maxima due to its pleomorphic growth lifecycle. In contrast, only one maximum was observed in control organism Pseudomonas fluorescens with a one-stage lifecycle. Further insight into the biomineralization process over time was provided by a combination of Raman macro- and microspectroscopy. With the help of this spatially resolved chemical imaging of the different types of calcium carbonate minerals, it was elucidated that the surface of the A. sulfonivorans bacterial cells served as nuclei for biomineralization of initially spherical vaterite precipitates. These vaterite biominerals continued growing as chemically stable rock-forming calcite crystals with rough edges. Thus, the utilization of innovative Raman multigas spectroscopy, combined with Raman mineral analysis, provided novel insights into microbial-mediated biomineralization and, therefore, provides a powerful methodology in the field of environmental sciences.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {article}
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Raman gas spectrometry is introduced as a unique tool for the investigation of the respiratory activity that is indicative for growth of bacteria involved in biomineralization. Growth of these bacteria cannot be monitored using conventional turbidity-based optical density measurements due to concomitant mineral formation in the medium. The respiratory activity of carbonate-precipitating Arthrobacter sulfonivorans, isolated from the recently discovered Herrenberg Cave, was investigated during its lifecycle by means of innovative cavity-enhanced Raman gas analysis. This method allowed rapid and nonconsumptive online quantification of CO2 and O2 in situ in the headspace of the bacterial culture. Carbon dioxide production rates of A. sulfonivorans showed two maxima due to its pleomorphic growth lifecycle. In contrast, only one maximum was observed in control organism Pseudomonas fluorescens with a one-stage lifecycle. Further insight into the biomineralization process over time was provided by a combination of Raman macro- and microspectroscopy. With the help of this spatially resolved chemical imaging of the different types of calcium carbonate minerals, it was elucidated that the surface of the A. sulfonivorans bacterial cells served as nuclei for biomineralization of initially spherical vaterite precipitates. These vaterite biominerals continued growing as chemically stable rock-forming calcite crystals with rough edges. Thus, the utilization of innovative Raman multigas spectroscopy, combined with Raman mineral analysis, provided novel insights into microbial-mediated biomineralization and, therefore, provides a powerful methodology in the field of environmental sciences.
@article{Rusznyak2012,
title = {Calcite Biomineralization by Bacterial Isolates from the Recently Discovered Pristine Karstic Herrenberg Cave},
author = {Anna Rusznyák and Denise M Akob and Sándor Nietzsche and Karin Eusterhues and Kai Uwe Totsche and Thomas R Neu and Torsten Frosch and Jürgen Popp and Robert Keiner and Jörn Geletneky and Lutz Katzschmann and Ernst-Detlef Schulze and Kirsten Küsel},
doi = {10.1128/AEM.06568-11},
year = {2012},
date = {2012-02-01},
journal = {Applied and Environmental Microbiology},
volume = {78},
number = {4},
pages = {1157–1167},
abstract = {Karstic caves represent one of the most important subterranean carbon storages on Earth and provide windows into the subsurface. The recent discovery of the Herrenberg Cave, Germany, gave us the opportunity to investigate the diversity and potential role of bacteria in carbonate mineral formation. Calcite was the only mineral observed by Raman spectroscopy to precipitate as stalactites from seepage water. Bacterial cells were found on the surface and interior of stalactites by confocal laser scanning microscopy. Proteobacteria dominated the microbial communities inhabiting stalactites, representing more than 70% of total 16S rRNA gene clones. Proteobacteria formed 22 to 34% of the detected communities in fluvial sediments, and a large fraction of these bacteria were also metabolically active. A total of 9 isolates, belonging to the genera Arthrobacter , Flavobacterium , Pseudomonas , Rhodococcus , Serratia , and Stenotrophomonas , grew on alkaline carbonate-precipitating medium. Two cultures with the most intense precipitate formation, Arthrobacter sulfonivorans and Rhodococcus globerulus , grew as aggregates, produced extracellular polymeric substances (EPS), and formed mixtures of calcite, vaterite, and monohydrocalcite. R. globerulus formed idiomorphous crystals with rhombohedral morphology, whereas A. sulfonivorans formed xenomorphous globular crystals, evidence for taxon-specific crystal morphologies. The results of this study highlighted the importance of combining various techniques in order to understand the geomicrobiology of karstic caves, but further studies are needed to determine whether the mineralogical biosignatures found in nutrient-rich media can also be found in oligotrophic caves.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {article}
}
Karstic caves represent one of the most important subterranean carbon storages on Earth and provide windows into the subsurface. The recent discovery of the Herrenberg Cave, Germany, gave us the opportunity to investigate the diversity and potential role of bacteria in carbonate mineral formation. Calcite was the only mineral observed by Raman spectroscopy to precipitate as stalactites from seepage water. Bacterial cells were found on the surface and interior of stalactites by confocal laser scanning microscopy. Proteobacteria dominated the microbial communities inhabiting stalactites, representing more than 70% of total 16S rRNA gene clones. Proteobacteria formed 22 to 34% of the detected communities in fluvialfluvialDurch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. sediments, and a large fraction of these bacteria were also metabolically active. A total of 9 isolates, belonging to the genera Arthrobacter , Flavobacterium , Pseudomonas , Rhodococcus , Serratia , and Stenotrophomonas , grew on alkaline carbonate-precipitating medium. Two cultures with the most intense precipitate formation, Arthrobacter sulfonivorans and Rhodococcus globerulus , grew as aggregates, produced extracellular polymeric substances (EPS), and formed mixtures of calcite, vaterite, and monohydrocalcite. R. globerulus formed idiomorphous crystals with rhombohedral morphology, whereas A. sulfonivorans formed xenomorphous globular crystals, evidence for taxon-specific crystal morphologies. The results of this study highlighted the importance of combining various techniques in order to understand the geomicrobiology of karstic caves, but further studies are needed to determine whether the mineralogical biosignatures found in nutrient-rich media can also be found in oligotrophic caves.
Anhand von Stalaktitenmaterial und fluvialenfluvialDurch 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 AnalyseMolekularbiologische Untersuchung evolutionärer Verwandtschaftsverhältnisse von Organismen (z. B. durch Abgleich von Erbinformationen)., BakterienkultivierungBakterienkultivierungFür weitergehende Untersuchungen werden Bakterien im Labor auf geeigneten Nährlösungen vermehrt., ElektronenmikroskopieElektronenmikroskopieSpezielle Art der Mikroskopie, die Elektronen statt Licht verwendet, um eine deutlich höhere Auflösung zu erzielen., RöntgenspektroskopieRöntgenspektroskopieEin spezielles Analyseverfahren, bei dem mittels Röntgenstrahlen die interne Struktur von Objekten untersucht werden kann., konfokale Laser-Scanning-Mikroskopiekonfokale Laser-Scanning-MikroskopieEine spezielle Art der Mikroskopie, bei der ein stark fokussierter Laserstrahl das Objekt abtastet, um eine höhere Auflösung als bei herkömmlichen Lichtmikroskopen zu erreichen. und RamanspektroskopieRamanspektroskopieEin 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 ProteobakterienProteobakterienEine Gruppe von Bakterien, zu denen viele wichtige stickstofffixierende Bakterien und Krankheitserreger gehören. am häufigsten in der Bakteriengemeinschaft vertreten waren, aber auch andere Gruppen wie ActinobakterienActinobakterienEine der artenreichsten Gruppe von Bakterien, die sich u. a. durch einen hohen Anteil der Nukleinbasen in ihrer Bakterien-DNS auszeichnen. oder FirmicutesFirmicutesEine 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 PräzipitatbildungPräzipitatNiederschlag oder Bodensatz einer Flüssigkeit. für die weitere Forschung ausgewählt: Arthrobacter sulfonivorans SCM3 und Rhodococcus globerulus SCM4. Beide produzierten extrazelluläre polymere Substanzenextrazelluläre polymere SubstanzenLangkettige, 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 (links) und Rhodococcus globerulus SCM4 (rechts) (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).
Die gebildeten Karbonatminerale waren Mischungen aus Kalzit, VateritVateritEine metastabile Modifikation von Kalziumkarbonat. und MonohydrokalzitMonohydrokalzitEine Modifikation von wasserhaltigem Kalziumkarbonat.. Dabei bildete Arthrobacter sulfonivorans SCM3 xenomorphexenomorphDie 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 idiomorpheidiomorphDie 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 (links) und Rhodococcus globerulus SCM4 (rechts) (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).
im Rahmen des Forschungsprojektes „AquaDiv@Jena“, gefördert durch die ProExzellenzinitiative des Freistaats Thüringen, und des Sonderforschungsbereiches 1076 „AquaDiva“, gefördert durch die DFG
Welche BiodiversitätBiodiversitätVielfalt 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 mikrobiellenmikrobiellDurch 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 fluvialenfluvialDurch 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 AnalyseMolekularbiologische Untersuchung evolutionärer Verwandtschaftsverhältnisse von Organismen (z. B. durch Abgleich von Erbinformationen)., BakterienkultivierungBakterienkultivierungFür weitergehende Untersuchungen werden Bakterien im Labor auf geeigneten Nährlösungen vermehrt., ElektronenmikroskopieElektronenmikroskopieSpezielle Art der Mikroskopie, die Elektronen statt Licht verwendet, um eine deutlich höhere Auflösung zu erzielen., RöntgenspektroskopieRöntgenspektroskopieEin spezielles Analyseverfahren, bei dem mittels Röntgenstrahlen die interne Struktur von Objekten untersucht werden kann., konfokale Laser-Scanning-Mikroskopiekonfokale Laser-Scanning-MikroskopieEine spezielle Art der Mikroskopie, bei der ein stark fokussierter Laserstrahl das Objekt abtastet, um eine höhere Auflösung als bei herkömmlichen Lichtmikroskopen zu erreichen. und RamanspektroskopieRamanspektroskopieEin 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 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).
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.
Entwicklung und Anwendung von Datierungsmethoden auf der Basis von LumineszenzThermolumineszenz-DatierungIn 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-DatierungEine 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-DatierungIn 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 DatierungDatierungUm 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.
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 BiodiversitätBiodiversitätVielfalt biologischen Lebens ("Artenreichtum")., mikrobielle Interaktionen, Klimaschutz, Bergbau und die tiefe BiosphäreBiosphäreGesamtheit 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.
@article{Keiner2013,
title = {Raman Spectroscopy—An Innovative and Versatile Tool To Follow the Respirational Activity and Carbonate Biomineralization of Important Cave Bacteria},
author = {Robert Keiner and Torsten Frosch and Stefan Hanf and Anna Rusznyak and Denise M Akob and Kirsten Küsel and Jürgen Popp},
doi = {10.1021/ac401699d},
year = {2013},
date = {2013-09-01},
journal = {Analytical Chemistry},
volume = {85},
number = {18},
pages = {8708–8714},
abstract = {Raman gas spectrometry is introduced as a unique tool for the investigation of the respiratory activity that is indicative for growth of bacteria involved in biomineralization. Growth of these bacteria cannot be monitored using conventional turbidity-based optical density measurements due to concomitant mineral formation in the medium. The respiratory activity of carbonate-precipitating Arthrobacter sulfonivorans, isolated from the recently discovered Herrenberg Cave, was investigated during its lifecycle by means of innovative cavity-enhanced Raman gas analysis. This method allowed rapid and nonconsumptive online quantification of CO2 and O2 in situ in the headspace of the bacterial culture. Carbon dioxide production rates of A. sulfonivorans showed two maxima due to its pleomorphic growth lifecycle. In contrast, only one maximum was observed in control organism Pseudomonas fluorescens with a one-stage lifecycle. Further insight into the biomineralization process over time was provided by a combination of Raman macro- and microspectroscopy. With the help of this spatially resolved chemical imaging of the different types of calcium carbonate minerals, it was elucidated that the surface of the A. sulfonivorans bacterial cells served as nuclei for biomineralization of initially spherical vaterite precipitates. These vaterite biominerals continued growing as chemically stable rock-forming calcite crystals with rough edges. Thus, the utilization of innovative Raman multigas spectroscopy, combined with Raman mineral analysis, provided novel insights into microbial-mediated biomineralization and, therefore, provides a powerful methodology in the field of environmental sciences.},
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pubstate = {published},
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Raman gas spectrometry is introduced as a unique tool for the investigation of the respiratory activity that is indicative for growth of bacteria involved in biomineralization. Growth of these bacteria cannot be monitored using conventional turbidity-based optical density measurements due to concomitant mineral formation in the medium. The respiratory activity of carbonate-precipitating Arthrobacter sulfonivorans, isolated from the recently discovered Herrenberg Cave, was investigated during its lifecycle by means of innovative cavity-enhanced Raman gas analysis. This method allowed rapid and nonconsumptive online quantification of CO2 and O2 in situ in the headspace of the bacterial culture. Carbon dioxide production rates of A. sulfonivorans showed two maxima due to its pleomorphic growth lifecycle. In contrast, only one maximum was observed in control organism Pseudomonas fluorescens with a one-stage lifecycle. Further insight into the biomineralization process over time was provided by a combination of Raman macro- and microspectroscopy. With the help of this spatially resolved chemical imaging of the different types of calcium carbonate minerals, it was elucidated that the surface of the A. sulfonivorans bacterial cells served as nuclei for biomineralization of initially spherical vaterite precipitates. These vaterite biominerals continued growing as chemically stable rock-forming calcite crystals with rough edges. Thus, the utilization of innovative Raman multigas spectroscopy, combined with Raman mineral analysis, provided novel insights into microbial-mediated biomineralization and, therefore, provides a powerful methodology in the field of environmental sciences.
@article{Rusznyak2012,
title = {Calcite Biomineralization by Bacterial Isolates from the Recently Discovered Pristine Karstic Herrenberg Cave},
author = {Anna Rusznyák and Denise M Akob and Sándor Nietzsche and Karin Eusterhues and Kai Uwe Totsche and Thomas R Neu and Torsten Frosch and Jürgen Popp and Robert Keiner and Jörn Geletneky and Lutz Katzschmann and Ernst-Detlef Schulze and Kirsten Küsel},
doi = {10.1128/AEM.06568-11},
year = {2012},
date = {2012-02-01},
journal = {Applied and Environmental Microbiology},
volume = {78},
number = {4},
pages = {1157–1167},
abstract = {Karstic caves represent one of the most important subterranean carbon storages on Earth and provide windows into the subsurface. The recent discovery of the Herrenberg Cave, Germany, gave us the opportunity to investigate the diversity and potential role of bacteria in carbonate mineral formation. Calcite was the only mineral observed by Raman spectroscopy to precipitate as stalactites from seepage water. Bacterial cells were found on the surface and interior of stalactites by confocal laser scanning microscopy. Proteobacteria dominated the microbial communities inhabiting stalactites, representing more than 70% of total 16S rRNA gene clones. Proteobacteria formed 22 to 34% of the detected communities in fluvial sediments, and a large fraction of these bacteria were also metabolically active. A total of 9 isolates, belonging to the genera Arthrobacter , Flavobacterium , Pseudomonas , Rhodococcus , Serratia , and Stenotrophomonas , grew on alkaline carbonate-precipitating medium. Two cultures with the most intense precipitate formation, Arthrobacter sulfonivorans and Rhodococcus globerulus , grew as aggregates, produced extracellular polymeric substances (EPS), and formed mixtures of calcite, vaterite, and monohydrocalcite. R. globerulus formed idiomorphous crystals with rhombohedral morphology, whereas A. sulfonivorans formed xenomorphous globular crystals, evidence for taxon-specific crystal morphologies. The results of this study highlighted the importance of combining various techniques in order to understand the geomicrobiology of karstic caves, but further studies are needed to determine whether the mineralogical biosignatures found in nutrient-rich media can also be found in oligotrophic caves.},
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Karstic caves represent one of the most important subterranean carbon storages on Earth and provide windows into the subsurface. The recent discovery of the Herrenberg Cave, Germany, gave us the opportunity to investigate the diversity and potential role of bacteria in carbonate mineral formation. Calcite was the only mineral observed by Raman spectroscopy to precipitate as stalactites from seepage water. Bacterial cells were found on the surface and interior of stalactites by confocal laser scanning microscopy. Proteobacteria dominated the microbial communities inhabiting stalactites, representing more than 70% of total 16S rRNA gene clones. Proteobacteria formed 22 to 34% of the detected communities in fluvialfluvialDurch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. sediments, and a large fraction of these bacteria were also metabolically active. A total of 9 isolates, belonging to the genera Arthrobacter , Flavobacterium , Pseudomonas , Rhodococcus , Serratia , and Stenotrophomonas , grew on alkaline carbonate-precipitating medium. Two cultures with the most intense precipitate formation, Arthrobacter sulfonivorans and Rhodococcus globerulus , grew as aggregates, produced extracellular polymeric substances (EPS), and formed mixtures of calcite, vaterite, and monohydrocalcite. R. globerulus formed idiomorphous crystals with rhombohedral morphology, whereas A. sulfonivorans formed xenomorphous globular crystals, evidence for taxon-specific crystal morphologies. The results of this study highlighted the importance of combining various techniques in order to understand the geomicrobiology of karstic caves, but further studies are needed to determine whether the mineralogical biosignatures found in nutrient-rich media can also be found in oligotrophic caves.
Wie verteilen sich U/ThU/Th-DatierungDie 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.-DatierungenDatierungUm 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 PermafrostesPermafrostUnter Permafrost versteht man dauerhaft gefrorenen Boden, der auch im Sommer nicht auftaut. In Mitteleuropa gab es während den Eiszeiten Permafrost. in Europa genutzt werden?
Entwicklung eines KarstmodellsModellEin 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.
Lehmbäumchen in der Bleßberghöhle (Foto: K. Peterknecht).
Quantifizierung und Qualifizierung klastischer Höhlensedimenteklastische SedimenteKlastische 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 ProvenienzProvenienzHerkunft der Sedimente. der Sedimentkomponenten zu klären und verwitterungsbedingte makro- und mikro-morphischemakro- und mikro-morphischeMakro- 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.
