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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-50079
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5007/


Lipid biomarkers of microbial communities involved in carbon dioxide and methane cycling at volcanic CO2 vents

Lipidbiomarker mikrobieller Gemeinschaften des biologischen CO2- und Methankreislaufs an vulkanischen CO2-Austritten

Oppermann, Birte

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SWD-Schlagwörter: Biomarker , Isotop , Carbon dioxide capture and storage , Bodenmikrobiologie
Basisklassifikation: 43.11 , 38.95
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Michaelis, Walter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.01.2011
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 22.02.2011
Kurzfassung auf Englisch: The capture and geological storage of CO2 (carbon capture and storage, CCS) presents an option for the reduction of greenhouse gas emissions. The storage in saline aquifers or depleted gas and oil reservoirs is already technically feasible. But before the employment of CCS, the consequences of CO2 leakages from the reservoir to near surface environment need to be evaluated. Natural analogues are useful to reveal the environmental impacts of such a leakage scenario. In this study, two volcanic CO2 vents were chosen as natural laboratories to reveal the consequences of CO2 induced environmental changes on microbial life.
CO2 is the most important greenhouse gas (GHG) of the anthropogenic climate change, furthermore it played an essential role in past climate changes. Besides anthropogenic emissions, the microbial production and consumption of CO2 have a significant impact on GHG concentrations in the atmosphere. During earlier geological periods, those microbial processes were of even higher importance for the concentration of GHG in the atmosphere; during the Precambrian they were the dominating biological processes. But gaps in knowledge concerning the nature and characteristics of CO2 consuming microbial groups, especially in anaerobic environments, still exist. A group of particular interest in the climate change related research are microorganisms connected to the CH4 cycle. Autotrophic methanogenic microorganisms consume CO2 and produce CH4, a 25-times more effective GHG than CO2. Methanotrophic microorganisms, in turn, consume CH4 and return it to CO2. Hence, the CO2 and CH4 cycle are closely connected to each other. However, little is known about the responsible microbial groups, especially in anaerobic terrestrial environments. Hence, methanogenic organisms utilising volcanic CO2 and methanotrophic organisms recycling this CO2 derived carbon, were studied in great detail. The scarce understanding of the microbial carbon cycle is hindering precise predictions about the consequences of anthropogenic GHG emissions. Additionally, the influences that CO2-induced changes on environmental parameters (e.g., pH and nutrients availability) have on microbial communities are of special interest.
The physiology and activity of microbial communities at these natural gas vents were studied with the help of lipid biomarker. But to be able to reveal the composition of complex microbial communities with biomarker studies, it is necessary to possess detailed knowledge on the distribution of potential biomarkers in organisms. Sulphate reducing Bacteria benefit from the conditions at the studied CO2 vents. They are an heterogenic group, whose members are capable of utilising a divers set of carbon sources. To assess the role of sulphate reducing Bacteria within the carbon cycle of the studied soils different species of the sulphate reducing Bacteria were examined for their lipid biomarkers.
The volcanic CO2 is enriched in the carbon isotope 13C relative to all other carbon sources within the studied soils. This enrichment presents a natural labelling which helps to trace uptake and recycling of CO2 carbon in these complex microbial systems. Therefore, the lipid biomarker studies were complemented by the analyses of their stable carbon isotopes. This combination yielded a detailed view on vital microbial groups and carbon cycling in the studied CO2 vents.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Abtrennung und geologische Speicherung von CO2 stellt eine Möglichkeit zur Reduktion der anthropogenen CO2 Emission dar. Eine Speicherung in salinen Aquiferen und ausgebeuteten Gas- und Ölreservoirs ist bereits technisch machbar. Aber vor der Anwendung dieser Technologie ist es notwendig, die Folgen von CO2-Leckagen aus dem Speicher in die oberflächennahe Umwelt zu bewerten. Natürliche Analoge helfen dabei, die Folgen solcher Leckagen einzuschätzen. So wurden für diese Studie zwei vulkanische CO2 Austritte als natürliche Labore zur Untersuchung der Auswirkungen von CO2 induzierten Umweltveränderungen auf das mikrobielle Leben genutzt.
CO2 ist das wichtigste Treibhausgas des anthropogen bedingten Klimawandels und hat schon bei vorangegangenen Klimaveränderungen eine essentielle Rolle gespielt. Zusätzlich zu den anthropogenen Emissionen haben sowohl die mikrobielle Produktion, als auch der mikrobielle Abbau von CO2 einen signifikanten Einfluss auf die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre. In früheren geologischen Zeitabschnitten sind mikrobielle Prozesse von wesentlich größerer Bedeutung für die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre gewesen; während des Präkambriums waren sie sogar die dominierenden biologischen Prozesse. Doch es bestehen weiterhin große Wissenslücken bezüglich der Art und Eigenschaften CO2 verbrauchender und hierbei insbesondere der anaeroben Mikroorganismen. Im Zusammenhang mit der Erforschung des Klimawandels sind die Mikroorganismen des CH4-Keislaufes von besonderem Interesse. Die autotrophen, methanogenen Mikroorganismen konsumieren CO2 und produzieren das als Treibhausgas 25-fach effektivere CH4. Methanotrophe Mikroorganismen wiederum verbrauchen CH4 und produzieren CO2. Der CO2- und der CH4-Kreislauf sind demzufolge eng miteinander verbunden. Über die beteiligten Mikroorganismen, speziell in anaeroben, terrestrischen Habitaten, ist allerdings wenig bekannt. Deshalb wurden methanogene Organismen die vulkanisches CO2 verbrauchen und methanotrophe Organismen die den aus dem CO2 stammenden Kohlenstoff weiter verwerten, besonders intensiv untersucht. Das lückenhafte Verständnis des mikrobiellen Kohlenstoff-Kreislaufs macht eine präzise Vorhersage möglicher Folgen der anthropogenen Emissionen von Treibhausgasen schwierig. Von großem Interesse sind daher die Auswirkungen von CO2 induzierten Veränderungen der Umweltbedingungen (z. B. pH-Wert und Nährstoffverfügbarkeit) auf Mikroorganismen.
Physiologie und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaften an diesen natürlichen Gasaustritten wurden mit Hilfe von Lipidbiomarkern ermittelt. Um die Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften mit Hilfe von Lipidbiomarkern bestimmen zu können, ist es erforderlich genaue Kenntnisse über die Verteilung potenzieller Biomarker in Organismen zu haben. Sulfat reduzierende Bakterien profitieren von den Bedingungen an den untersuchten CO2-Austritten. Sie sind eine heterogene Gruppe, deren Mitglieder u.a. unterschiedlichste Kohlenstoffquellen nutzen können. Um die Rolle der Sulfat reduzierenden Bakterien im Kohlenstoffkreislauf der untersuchten Böden besser beurteilen zu können, wurden verschiedene Spezies der Sulfat reduzierenden Bakterien auf ihre Lipidbiomarker analysiert.
Das vulkanische CO2 ist im Verhältnis zu den anderen in den Böden vorhandenen Kohlenstoffquellen angereichert an dem Kohlenstoffisotop 13C. Diese Anreicherung stellt eine natürliche Markierung dar, mit deren Hilfe die Aufnahme und Weiterverwendung des CO2-Kohlenstoffs in diesen komplexen mikrobiellen Systemen nachvollzogen werden konnten. Die Untersuchung der Biomarker wurde daher durch die Analyse ihrer stabilen Isotope ergänzt. Diese Kombination erbrachte detaillierte Auskünfte über vitale mikrobielle Gruppen und den Kohlenstoffkreislauf an den untersuchen CO2-Austritten.

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