Geobiologische Stoffkreisläufe in der Erdkruste (Deep ...

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

[email protected]


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


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


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


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]


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


Bedeutung / Anwendungen

AnthropogeneSchadstoffe

Erdöl undErdgas

BiogenesGas

EnzymeNaturstoffe

Sanierung von Umweltschäden

Qualität fossiler Brennstoffe

BiotechnologieMedizin

Sauberer Energieträger

Klimarelevantes Treibhausgas

MikrobielleAktivität

Abbau Bildung


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


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


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


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

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iC10

nC4

nC5

nC6

nC7

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nC10

nC4

nC5

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nC10

iC4

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iC10

4

iC5

iC6

iC7

iC8

iC9

iC10

nC4: 5‰ ≈ 80%

Quantifizierung des Kohlenwasserstoffabbaus

Abg

ebau

ter A

ntei

l [%

]


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

-


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”


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.

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