geobiologische stoffkreisläufe in der erdkruste (deep
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Konferenz Klima im System ErdeBerlin 02. – 03. November 2009
Geobiologische Stoffkreisläufe in der Erdkruste (Deep Biosphere)Heinz Wilkes, Kai Mangelsdorf, Andrea Vieth und Brian Horsfield
Helmholtz-Zentrum Potsdam GFZ Deutsches GeoForschungsZentrumSektion 4.3 Organische Geochemie Telegrafenberg, D-14473 Potsdam
Konferenz Klima im System ErdeBerlin 02. – 03. November 2009
IsotopeBiomarkerFossilien
Altersnachweis durch:
Leben in der Erdkruste ist mikrobiell!
Flagel-laten
0.6
2.1
1.2
1.8-1.6
0.750.8
1.6
2.77
2.77 3.5 3.8?2.8
EUKARYOTEN
ARCHÄEN
BAKTERIEN
Microsporidia
Tiere PilzeSlime Moulds
EntamoebaGrüne Pflanzen
TrichomonadenDiplomonadenCiliaten
WURZEL?
WURZEL?
Sulfolobales
Thermoproteales
Archeoglobales
Halobacteriales
MethanosarcinalesMethanococcales
AquificalesThermotogales
ProteobakterienGrampositive (G+C hoch)
Cyanobakterien
Grampositive (G+C niedrig)
Grüne NichtschwefelPlanctomycetales
Desulforo-coccales
© Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio
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K. Kashefi and D. R. Lovley,Science 301 (2003) 934
Fe(III)-reduzierenderStamm 121
Wachstum:85-121°C
Überlebt bis 2 Stunden bei 130°C
Temperaturobergrenze für Leben
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Relevante Stoffwechselprozesse
Kohlen-wasserstoffe
CnHm
Chemotroph,aerob
Phototroph,anoxygen
Chemotroph,anaerob
Biomasse
Biomasse
Biomasse
Biomasse
Biomasse
Biomasse
F. Widdel and R. Rabus, Curr Opin Biotechnol 12 (2001) 259-276
Redox-Zonierung
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Mikrobielle Population in der ErdkrusteKohlenstoff in lebender
mikrobieller Biomasse [%]Gesamtmenge: 546 x 1015 g
Ozeaneund Seen0.4
MarineSedimente55.5
TerrestrischeSedimente
39.4
Boden4.8
J. Parkes et al., Hydrogeol J 8 (2000) 11-28; W. B. Whitman et al., Proc Natl Acad Sci USA 95 (1998) 6578-6583
Mikroorganismen [log Zellen / cm3]
Tiefe[mbsf]
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Biogenes versus thermogenes Gas-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
LagerstättenalterQuartärPliozänMiozänOligozänEozänKreideJuraTriasKarbonSilur
Tief
e [m
]
Biogen Ge- Thermogenmischt
δ13C [‰]
Daten aus M. Schoell, Geochim Cosmochim Acta
44 (1980) 649-661
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Bedeutung / Anwendungen
AnthropogeneSchadstoffe
Erdöl undErdgas
BiogenesGas
EnzymeNaturstoffe
Sanierung von Umweltschäden
Qualität fossiler Brennstoffe
BiotechnologieMedizin
Sauberer Energieträger
Klimarelevantes Treibhausgas
MikrobielleAktivität
Abbau Bildung
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Schweröle und TeersandeDaten aus I. M. Head et al., Nature 426 (2003) 344-352
0
200
600
1000
1400
1800
Ghawar(Saudi Arabien)
Burghan(Kuwait)
Orinoco Tar Belt(Venezuela)
West. Canada Basin
0
200
600
1000
1400
1800
Ghawar Burghan(Kuwait)
Orinoco Tar Belt(Venezuela)
West. Canada Basin
Öl
(Mrd
Bar
rel)
Weltweit größtekonventionelle
(= undegradierte)Ölfelder B
iode
grad
iert
(8-1
2°A
PI)
Bio
degr
adie
rt
Teersand
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Anaerobe StoffwechselwegeBiogeochemie von Öl- und GasfeldernQuantifizierung von Stoffflüssen
H. Wilkes et al., Arch Microbiol 177 (2002) 235-243; O. Kniemeyer et al., Nature 449 (2007) 898-901
Biologischer Abbau in Öl- und Gaslagerstätten
COO-
COO-COO-
COO-Enzymatische
Radikal-reaktion
CO-SCoA
CH3CO-SCoA+
β-Oxidation
Regenerierung von Fumarat
6 CO2Reduktion desElektronenakzeptors
[H] [H]TCA-Zyklus
+CO-SCoA
AktivierungUmlagerung
Decarboxylierung
- CO2
CO-SCoA+
2 CH3CO-SCoA
2 β-Oxidationszyklen
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Methanogener Kohlenwasserstoffabbau
K. Zengler et al., Nature 401 (1999) 266-269
4 C16H34 + 30 H2O→ 49 CH4 + 15 CO2
Geb
ildet
es G
as (m
l)
Zeit (Tage)
Methanogener Abbau von 1 m3 Erdölergibt bis zu 900 m3 Methan
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H. Wilkes et al., Org Geochem 39 (2008) 1215-1221; A. Vieth and H. Wilkes, Geochim Cosmochim Acta 70 (2006) 651-665
0 2 4 6 8 10 12 14 16Δδ13C [‰]
0
20
40
60
80
100
Frac
tion
Deg
rade
d[%
]
nC4
nC5
nC6
nC7
nC8
nC9
nC10
iC4
iC5
iC6
iC7
iC8
iC9
iC10
nC4
nC5
nC6
nC7
nC8
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nC4
nC5
nC6
nC7
nC8
nC9
nC10
iC4
iC5
iC6
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iC9
iC10
iC4
iC5
iC6
iC7
iC8
iC9
iC10
4
iC5
iC6
iC7
iC8
iC9
iC10
nC4: 5‰ ≈ 80%
Quantifizierung des Kohlenwasserstoffabbaus
Abg
ebau
ter A
ntei
l [%
]
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Porcupine-Becken
Biogenes / thermogenesMethan
(Methanotrophie)CH4
2CH4 + 4O2 2HCO3 + 2H2O-
Bildung von„Hardgrounds“
2CH4 + 2SO4 2HS + 2HCO3 + 2H2O2-
Kaltwasserkorallen
J. Naeth et al., Int J Earth Sci 96 (2007) 199-200J. Naeth et al., J Pet Geol 28 (2005) 147-166
Leckage von Kohlenwasserstoffen
-
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Zykluszeitca. 102 Jahre
Zykluszeit105 - 108 Jahre
Organisches Materialin Böden und Sedimenten
Metamorphe Sedimente
Absenkung Hebung
BiomasseRemineralisation
CO2
Öl- and Gas-bildung
Seepage
Der organische Kohlenstoffkreislauf
BIO
GEO
BIO
GEO
“Tiefe Biosphäre”
Konferenz Klima im System ErdeBerlin 02. – 03. November 2009
Die Biosphäre erstreckt sich um Größenordnungen tiefer in die Erdkruste als lange Zeit für möglich gehalten wurde.
Das Leben in der Erdkruste ist mikrobiell und durch die Vorherrschaft anaerober Stoffwechelvorgänge gekennzeichnet (Abwesenheit von Sauerstoff).
Mikrobielle Aktivität hat einen erheblichen Einfluss auf Stoffflüsse und Umsatzraten in der Erdkruste und führt zur Bildung enormer Mengen an Treibhausgasen (Methan und CO2).
Schlussfolgerungen
Das Potenzial der „Tiefen Biosphäre“, die Zusammen-setzung der Atmosphäre und damit das globale Klimageschehen zu beeinflussen, ist bislang nicht hinreichend untersucht.