Inhaltszusammenfassung:
Mikrobielle Gesteinsverwitterung findet in der Erdkruste statt, in der Eisen (Fe) das am vierthäufigsten vorkommende Element ist. Eisen kommt in allen Stadien der Umwandlung von Gestein in Boden vor, z. B. bei der Besiedlung von Primärgestein, dem Abbau von Gestein, der Saprolitbildung und den Elementkreisläufen. Mikroorganismen verwittern Gestein und Minerale durch Veränderung des pH-Werts, Metallchelatbildung, Abbau von organischem Material und Redoxreaktionen und verändern dadurch physiochemisch ihre Umgebung. Redoxreaktionen sind der Schlüsselprozess der Biota zur Energiegewinnung in allen wichtigen biogeochemischen Kreisläufen (d. h. denjenigen, die sich um C, Fe, Mn, N, P und S drehen) durch Elektronenübertragung zwischen einem Redoxpaar, bestehend aus einem Elektronendonor und einem Elektronenakzeptor. Fe-metabolisierende Bakterien nutzen Redoxreaktionen, um sich an oligotrophe (d. h. nährstoffarme) Umgebungen anzupassen und dort zu überleben.
Feld- und Laborstudien sind ein wertvolles Instrument zur Entschlüsselung der mikrobiellen Gesteinsverwitterung auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Ebenen. Bisher konzentrierten sich Feldstudien hauptsächlich auf (a) die Mineralverwitterung im tiefen Untergrund (von granitoiden Verwitterungsprofilen) und (b) die mikrobielle Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen in geringer Tiefe und feuchtem Klima. Es gibt jedoch kaum Studien über die mikrobielle Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen im tiefen Untergrund von granitoiden Gesteinen in ariden und semiariden Umgebungen. Darüber hinaus ist nur unzureichend geklärt, wie die mikrobielle Verwitterungsaktivität von Fe-metabolisierenden Mikroorganismen im tiefen Untergrund mit den unterschiedlichen klimatischen Bedingungen zusammenhängt. Mehr noch, aufgrund des Mangels an Studien zur mikrobiellen Verwitterung im tiefen Untergrund ariderer Klimazonen unterschätzen wir wahrscheinlich, wie wichtig und weit verbreitet die mikrobielle Verwitterung quantitativ ist. Daher ist es wichtig zu verstehen, welche Faktoren die mikrobielle Verwitterungsaktivität im tiefen Untergrund entlang von Klimagradienten steuern. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Fragen, indem sie Bohrkerne und Bodenproben von vier Verwitterungsprofilen aus felsischem plutonischem Gestein entlang eines Klimagradienten von Norden nach Süden untersucht. Der Klimagradient reicht von ariden (Pan de Azúcar, PdA) über semiaride (Santa Gracia, SG) und mediterrane (La Campana, LC) bis hin zu feuchten (Nahuelbuta, NA) Klimazonen der chilenischen Küstenkordillere.
Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Rolle Fe-metabolisierender Bakterien bei der Verwitterung von hydrothermal verändertem, granitoiden Gestein in semiaridem Klima. Unter Anwendung geochemischer, mineralogischer und kultivierungsbasierter Methoden wurde festgestellt, dass zerklüftete und hydrothermal veränderte Zonen keine Hot Spots für mikrobielle Fe(III)-reduzierende Aktivität sind, sondern die mikrobielle Aktivität eher behindern. Um zu wachsen, benötigen Fe-metabolisierende Mikroorganismen höhere Konzentrationen an zugänglichem, bioverfügbarem Fe, unabhängig vom Grad der hydrothermalen Überprägung. Die Daten deuten darauf hin, dass Fe-metabolisierende Mikroorganismen wahrscheinlich nicht zur Verwitterung von Fe(II)-haltigen Silikatmineralen beitragen, sondern ihre Bedeutung in der reduktiven Auflösung von sekundären Fe(III)-(Oxyhydr)oxiden liegt. Die erfolgreiche Kultivierung einer robusten Fe(III)-reduzierenden Anreicherungskultur (Kultur SG) aus der tiefsten Verwitterungszone in 77 m Tiefe, die von dem sporenbildenden Taxon Desulfotomaculum ruminis dominiert wird, untermauert diese Aussage. Kultur SG ist in der Lage, Fe(III) und Sulfat unter Verwendung von Laktat oder Wasserstoff zu reduzieren. Daher besteht die Möglichkeit einer durch mikrobielle Sulfatreduktion angetriebenen Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen.
Im zweiten Teil dieser Dissertation werden die Einflussfaktoren der mikrobiellen Verwitterung von Fe-haltigen Minerale entlang des Klimagradienten untersucht. Geochemische und petrophysikalische Daten werden mit statistischen Daten kombiniert, um die Orte potenzieller mikrobieller In situ-Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen innerhalb der vier Verwitterungsprofile zu ermitteln. Die vier Feldstandorte sind durch eine Zunahme der Niederschläge von Norden nach Süden gekennzeichnet. Das Grundgestein der untersuchten Standorte unterscheidet sich jedoch in Bezug auf die Frakturierung und hydrothermale Alteration. Die beiden nördlichen Feldstandorte (PdA und SG) sind durch eine hohe Bruchintensität, hydrothermale Alteration und hohe Konzentrationen anorganischen Kohlenstoffs (IC) gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu zeigen die Verwitterungsprofile der beiden südlichen Feldstandorte (LC und NA) eine geringe Bruchintensität, keine hydrothermale Alteration und niedrige IC-Konzentrationen. Wir stellten fest, dass die Menge an extrahierbarem, adsorbiertem und kristallinem Fe mit der Tiefe in LC und NA zunimmt. Außerdem wurde festgestellt, dass hohe Fe(II)/Fe(tot)-Verhältnisse positiv mit Zonen geringer und mittlerer Bruchintensität korrelieren. An allen vier Standorten wurden Brüche als Orte identifiziert, an denen mehr gering kristalline Fe-haltige Minerale im Vergleich zu nicht-frakturierten Zonen vorkommen. Schließlich gibt es in SG, LC und NA weniger bioverfügbaren organischen Kohlenstoff in Frakturen im Vergleich zu nicht geklüfteten Zonen, während in PdA das Gegenteil der Fall ist. Kurz gesagt, die höchste Wahrscheinlichkeit einer mikrobiellen In situ-Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen ist mit offenen Frakturen verbunden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit unser Wissen über die Rolle von Fe-metabolisierenden Bakterien bei der Verwitterung von Fe-haltigen Mineralen erweitert hat. Sie unterstreicht, dass wir derzeit unterschätzen, wie wichtig und weit verbreitet die mikrobielle Verwitterung sein kann. Die Untersuchung eines hydrothermal veränderten Granitoid-Verwitterungsprofils in semiaridem Klima zeigte, dass Fe-metabolisierende Mikroorganismen eher für die reduktive Auflösung sekundärer Fe(III)-(Oxyhydr)oxide wichtig sind, aber wahrscheinlich nicht zur Verwitterung von Fe(II)-haltigen Silikatmineralen beitragen. Entlang des Klimagradienten wurde festgestellt, dass offene Klüfte die höchste Wahrscheinlichkeit aufweisen, aktive Fe-metabolisierende Mikroorganismen zu beherbergen. Das komplexe Zusammenspiel von Mineralen, Geochemie, Kluftbildung, hydrothermaler Umwandlung und Wasserversorgung mit Mikroben macht deutlich, dass mehr interdisziplinäre Forschung notwendig ist, um ein tieferes Verständnis der mikrobiellen Verwitterungsprozesse im tiefen Untergrund zu erlangen.
Abstract:
Microbial rock weathering takes place in Earth´s crust, in which the fourth most abundant element is iron (Fe). Iron occurs during all stages of rock-soil transformation such as primary rock colonisation, rock breakdown, saprolite formation and element cycling. Microorganisms weather rocks and minerals via alteration of pH, metal chelation, breakdown of organic matter and redox reactions and thereby physiochemically alter their surrounding environment. Redox reactions are the key process of biota to gain energy in all major biogeochemical cycles (i.e. those centred around C, Fe, Mn, N, P and S) via electron transfer between a redox couple, consisting of an electron donor and an electron acceptor. Fe-metabolising bacteria are agents of redox reactions, which allow them to adapt and survive in oligotrophic (i.e. nutrient depleted) environments.
Field and laboratory studies are a valuable tool to decipher microbial rock weathering at different special and temporal scales. So far, field studies mainly focused on (a) deep subsurface mineral weathering of granitoid weathering profiles and (b) microbial weathering of Fe-bearing minerals in shallow depths and humid climate. However, there is barely any studies on microbial weathering of Fe-bearing minerals in the deep subsurface of granitoid lithology in arid and semi-arid environments. Moreover, it is also poorly constrained how microbial weathering activity of Fe-metabolising microorganisms in the deep subsurface is linked to different climatic conditions. Even more, due to the lack of microbial weathering studies in the deep subsurface of more arid climates we probably underestimate how quantitatively important and widespread microbial weathering may be. Hence, it is key to understand which factors control microbial weathering activity in the deep subsurface along climate gradients. This thesis addresses these issues by investigating drill core and soil samples from four weathering profiles of felsic plutonic rock along a climate gradient from North to South. The climate gradient ranges from arid (Pan de Azúcar, PdA), to semi-arid (Santa Gracia, SG), Mediterranean (La Campana, LC) and humid (Nahuelbuta, NA) climate zones of the Chilean Coastal Cordillera.
The first part of this dissertation addresses the role of Fe-metabolising bacteria in the weathering of hydrothermally altered, granitoid rock in semi-arid climate. Applying geochemical, mineralogical and cultivation-based methods fractured and hydrothermally altered zones were found to not be hot spots for microbial Fe(III)-reducing activity, but rather hamper microbial activity. To thrive, Fe-metabolising microorganisms require increased concentrations of accessible, bioavailable Fe, independent from the alteration degree. The data indicates that Fe-metabolising microorganisms probably do not contribute to the weathering of Fe(II)-bearing silicate minerals, but reveal their importance for reductive dissolution of secondary Fe(III) (oxyhydr)oxides. The successful cultivation of a robust Fe(III)-
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reducing enrichment culture (culture SG) from the deepest weathering zone in 77 m depth, dominated by the spore-forming Desulfotomaculum ruminis, underpins this statement. Culture SG is capable of Fe(III) and sulfate reduction using lactate or dihydrogen. Hence, there is the possibility of microbial sulfate reduction-driven weathering of Fe-bearing minerals. However, the low amount of quantified S in this zone suggests a minor role of S in the process.
In the second part of this dissertation, controlling factors of microbial weathering of Fe-bearing minerals along the climate gradient are elucidated. Geochemical and petrophysical data are combined with statistics to identify locations of potential microbial in situ weathering of Fe-bearing minerals within the four weathering profiles. The four field sites are characterised by an increase in precipitation from North to South. However, the bedrock of the study sites differs in terms of fracturing and hydrothermal alteration. The two Northern field sites (PdA and SG) are characterised by a high fracture intensity, hydrothermal alteration and high inorganic carbon (IC) concentrations. In contrast, weathering profiles of the two Southern field sites (LC and NA) show a low fracture intensity, absence of hydrothermal alteration and low IC concentrations. We identified an increase in the amount of extractable, adsorbed and crystalline Fe with depth in LC and NA. Furthermore, high Fe(II)/Fe(tot)-ratios were found to positively correlate with low and medium fracture intensity zones. Fractures were identified as locations of more poorly crystalline Fe-bearing minerals compared to unfractured zones in all four sites. Finally, there is less bioavailable organic carbon in fractures compared to unfractured zones in SG, LC and NA, while the opposite is the case for PdA. In short, the highest probability of microbial in situ weathering of Fe-bearing minerals is linked to open fractures.
In summary, this work has expanded our knowledge on the role of Fe-metabolising bacteria in weathering of Fe-bearing minerals. It underlines that we are currently underestimating how important and widespread microbial weathering may be. Investigating a hydrothermally altered granitoid weathering profile in semi-arid climate demonstrated that Fe-metabolising microorganisms are rather important for reductive dissolution of secondary Fe(III) (oxyhydr)oxides but probably do not contribute to the weathering of Fe(II)-bearing silicate minerals. Along the climate gradient, open fractures were found to have the highest probability of hosting active Fe-metabolising microorganisms. The complex interplay of minerals, geochemistry, fracturing and hydrothermal alteration and water supply with microbes highlights that more interdisciplinary research is necessary to get an in-depth understand of microbial weathering processes in the deep subsurface.
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