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

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

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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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