Ecology and membrane lipid distribution of marine Crenarchaeota: Implications for TEX86 paleothermometry

Cover thesis

Auteur: Cornelia Wuchter
Datum 27 februari 2006
Universiteit: Universiteit van Utrecht

Oerbacteriën spelen belangrijke rol in koolstof- en stikstofcycli van de zee
 
Cornelia Wuchter deed bij het Koninklijk Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) onderzoek naar een aantal zeer basale vragen in de microbiologie: waar in zee komen oerbacterien voor en wat zijn de koolstofbron en de energiebron waarvan zij leven? Daarnaast bekeek zij of veranderingen in de samen-stelling van de unieke vetten van deze organismen gebruikt kan worden om de temperatuur van de bovenste laag van het zeewater in het verre verleden te herleiden.  Ze verdedigde haar proefschrift op 27 februari 2006 aan de Universiteit van Utrecht. 

Oerbacteriën of Archaea vormen één van de drie domeinen van het leven op aarde. De andere twee domeinen worden gevormd door de echte bacteriën en alle algen, landplanten en dieren samen. Archaea en bacteriën hebben gemeen dat hun cellen geen aparte kern bezitten en vormen hierdoor samen de groep van de prokaryoten. De in de waterkolom zwevende planktonische Archaea horen tot twee hoofdgroepen: de Crenarchaeota en de Euryarchaeota. De Crenarchaeota zijn de meest voorkomende groep en vormen ca. 20% van alle prokaryotische cellen in de oceaan.

Voorkomen van oerbacterien
Oerbacteriën of Archaea komen heel algemeen voor in de Waddenzee, de Noordzee en op zeer verschillende diepten van verschillende oceanen. Bij de voordeur van het NIOZ in het Marsdiep nam Cornelia gedurende de gehele biologische jaarcyclus monsters. De Crenarchaeota kwamen het meeste voor in de winter als de algen niet actief kunnen zijn door gebrek aan zonlicht. De sterke voorjaarsbloei van kiezelalgen drukt de crenarchaeota echter weg uit het ecosysteem. In de zomer komen dan de Euryarchaeota op.

Koolstof en energiebron
Alle levende organismen bestaan uit organisch materiaal. De koolstof in dit celmateriaal kan worden verkregen door het eten van complex organisch voedsel zoals de mens dat doet, of door het vastleggen van kooldioxide zoals algen en landplanten dat doen. De benodigde energie hiervoor halen planten uit zonlicht. Dit proces wordt fotosynthese genoemd. Cornelia onderzocht in de klimaatkamers van het NIOZ of de crenarchaeota tot iets soortgelijks in staat zouden zijn. Hiertoe voegde zij kooldioxide in de vorm van chemisch met een zware vorm van koolstof (13C) gemerkt bi-carbonaat toe aan 20L flessen met zeewater uit het zeegat het Marsdiep dat tussen Texel en Den Helder de Noordzee en de Waddenzee met elkaar verbindt. Alle experimenten werden in het donker uitgevoerd om fotosynthese door algen te voorkomen. Cornelia kon nu bewijzen dat in ieder geval een deel van de in het Marsdiep aanwezige oerbacteriën groeit door dit gemerkte bicarbonaat in te bouwen, doordat zij de zware 13C-koolstofmoleculen terugvond in de voor de Crenarchaeota specifieke tetra-ether vetten of GDGT's, nadat de flessen gedurende enkele weken in de klimaatkamer in het donker hadden gestaan. De hiervoor benodigde energie krijgen de oerbacteriën uit nitrificatie; omzetting van ammonium (NH3) in nitriet (NO2-) in aanwezigheid van zuurstof.

Paleothermometer
Aangezien mariene Crenarchaeota één van de meest voorkomende klassen van picoplankton in de oceanen is en omdat zij voorkomen op vrijwel elke waterdiepte, is het waarschijnlijk dat zij ook een belangrijke rol spelen in de biogeochemische cycli in de oceanen. De laboratoriumexperimenten bij het NIOZ lieten zien dat watertemperatuur de belangrijkste factor is voor de moleculaire samenstelling van de GDGT vetten van Crenarchaeota; hoe warmer het zeewater, hoe meer ringstructuren van vijf koolstofatomen er worden ingebouwd. Cornelia en haar begeleiders leidden hieruit een verband tussen vetstructuur en temperatuur af en noemde dit de TEX86 temperatuur. De veldstudies lieten duidelijk zien dat het GDGT signaal dat de diepere lagen van de oceanen toch de watertemperatuur van de bovenste 100 m waterkolom reflecteert. De nieuwe 'paleothermometer' TEX86 kan dus gebruikt worden om de zeewatertemperaturen van het bovenste gedeelte van de oceaan in vroeger tijden te herleiden. Omdat GDGTs kunnen worden gevonden in sedimenten tot 140 miljoen jaar oud, heeft de TEX86 een grote potentie om gebruikt te gaan worden in reconstructies van vroegere klimaten door middel van de analyse van lange sedimentkernen van de zeebodem. Dit is van groot belang voor de voorspelling van toekomstige klimaatontwikkelingen.

Download de pdf van dit proefschrift (pdf 2,9 Mb).

Bron: NIOZ