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HIGH SEA, AWI - 2021
WGs auf dem Tiefseeboden
- Welche mikrobiellen Gemeinschaften leben
auf Manganknollen?
Dr.Julia M. Otte
YB
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Dr. Julia M. Otte
HGF-MPG Group for Deep Sea Ecology and Technology
jotte@mpi-bremen.de & julia.otte@awi.de
Als Wissenschaftlerin unterwegs…
v
v
Nordseezeitung, Bremerhaven, Januar 2021
Introduction Julia M. Otte 2
Stetiger Jobwechsel als Wissenschaftler
PostDoc
PostDoc
1386
BSc
PhD
1457 1477
MSc
Introduction Julia M. Otte 3
Was verdient man? Was macht man als Meeresbiologin?
Jetzt, Süddeutsche Zeitung, Mai 2020
Introduction Julia M. Otte 4
Berufsfeld – „Meeres-Geo-mikrobiologin“
Meeres- & Geomikrobiologie
Biogeochemische Prozesse: z.B.
Metalle, Kohlenstoff, Stickstoff
Einfluss von Tiefseebergbau auf die PhD defense, July 2018
mikrobielle Gemeinschaft in der Tiefsee
Introduction Julia M. Otte 5
Unsere mikrobielle Welt
Wenn wir unsere Welt und ihre Prozesse verstehen
wollen, müssen wir uns dann wirklich mit
Mikroorganismen beschäftigen?
Introduction Julia M. Otte 6
Was sind nochmal Mikroorganismen?
= mikroskopisch kleine Organismen
= dazu zählen alle Einzeller
= extrem diverse
= sehr viele versch. Lebensformen
Introduction Julia M. Otte 7
Wer gehört zur WG Gemeinschaft der Mikroorganismen?
Bakterien (Prokaryoten; kein Zellkern)
Archaeen (Prokaryoten; kein Zellkern)
Pilze z.B. Hefe und Schimmel
Prokaryotische Algen, bzw.
Cyanobacteria (Protisten, einzellige
Eukaryoten z.B. Spirogyra & Chlamydomonas)
Protozoan (Protisten, einzellige Eukaryoten z.B.
Amoeba & Paramecium)
Viruses (lebende Organismen?, besitzen DNA &
RNA, Proteinhülle, eigene Enzyme)
Introduction Julia M. Otte 8
Wie klein sind Mikroorganismen?
Mikroben sind so winzig:
1 µm Bereich
Ungefähre Schätzung von prokaryotischen Zellen auf
unserer Erde:
5,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 = 5 x 1030
Whitman et al., PNAS 1993. Prokaryotes: the unseen majority
Julia M. Otte
Introduction 9
~1024 Sterne in unserem
Universum (ESA)
Es gibt mehr Mikroorganismen auf unserer
Erde als Sterne im Universum!
~1023 Sandkörner auf unserer
Erde (MPI Kernphysik)
~1030 Mikroorganismen auf
unserer Welt (PNAS)
Julia M. Otte
Introduction 10Wir leben in einer mikrobiellen Welt!
1 L Meerwasser
108 - 109 mikrobielle Zellen
Mikroorganismen 25 - 50 % der globalen Biomasse!
Die meisten mikrobiellen Habitate sind unbekannt
- 95% unserer Ozeane ist unerforscht!
8 x 109 1 g Meeresbodensediment
Menschen auf
der Erde 109 mikrobielle Zellen
Introduction Julia M. Otte 11Extreme Mikrobielle Habitate (=Wohnorte)
Acidic Mine Drainage Hydrothermal Vent Clouds Soda Lake
pH, acidic Druck + T, kalt Kosm. Strahlung pH, alkaline + Salinity
NASA Clean Room Nuclear Reactor Hot Springs Sea Ice
Strahlung Ion. Strahlung T, hot + pH, acidic T, cold
Mount Everest Dry Desserts Mariana Trench Earth Deep Crust
UV Strahlung Trockenheit Druck + T, kalt Druck
Ophiolites Human Brain Canned Food Crude Oil
pH, alkaline Biolog. Filter UV, Vakuum, γ Druck
Introduction Julia M. Otte 12Mikroorganismen leben überall auf der Erde!
Leben in den Tiefen der Erdkruste und oben in den Wolken
Leben im Extremen: Temperaturen, Salzgehalten, pH Werten,
Druck, Strahlung und Trockenheit...
Sind sehr resistant auch gegenüber giftigen Substanzen und
können sogar daraus Energie gewinnen!
Sie können sich an extreme Bedingungen
anpassen und können dort leben!
Introduction Julia M. Otte 13Mikroben sind die Motoren des Lebens! Sauerstoffproduktion → für komplexes Leben wichtig Kohlenstofffixierung → binden CO2 Stickstofffixierung → können nur Mikroorganismen! Gasaustausch & Gasfreisetzung Biomassenproduktion → Nahrungskette Recycling von org. Material Fermentation → Metab. Prozess der Energie freisetzt & vieles mehr…. Introduction Julia M. Otte 14
Um unsere Welt & Umwelt zu verstehen…
Umweltwissenschaften
= interdisziplinäres Feld:
• Astronomie, Physik,…
…müssen wir auch Mikroorganismen und
• Chemie, Biologie,
deren Gemeinsschaften genauer verstehen!
Geologie, Ökologie,...
• Mikrobiologie
Julia M. Otte 15
Introduction Julia M. Otte 15HGF-MPG Gruppe für
Tiefsee Ökologie und Technologie
Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research
Max Planck Institute for Marine Microbiology
Introduction Julia M. Otte 16Meine Projekte am AWI & MPI
MiningImpact2: ARCHES: “Autonomous
“Environmental impacts and Robotic Networks to Help
risks of deep-sea mining” Modern Societies” funded by
funded by BMBF and JPI Oceans Helmholtz Society
Geomar Geomar
DEME Geomar, Kiel
Geomar
AWI Geomar
Geomar, Kiel Geomar, Kiel
Julia M. Otte
17Nun tauchen wir ab in die Tiefsee…
Julia M. Otte 18Die Tiefsee
Bremerhaven
4 km Tiefe ©Lego
11 km tief
Introduction Julia M. Otte 19Die Tiefsee
https://neal.fun/deep-sea/
©Lego
Introduction Julia M. Otte 20Tiefsee-Mythen
Es gibt so viele Mythen & Legenden – in allen Kulturen –
die von den ungeheuren Tiefen des Meeres berichten…
Vielarmige Kraken
Seeungeheuer
Mythology Wiki
Der Wal
Meerjungfrauen
http://divemagazine.co.uk
Mythology Wiki
Mythology Wiki
Moby Dick
Introduction Julia M. Otte 21Die Tiefsee – das dunkle Paradies
Was bedeutet genau Tiefsee?
Tiefsten Gebiete im Ozean
Tiefer als > 1800 m
Wie tief ist die Tiefsee?
Tiefste Graben im Ozean:
Marianengraben (Pazifik): ~11 km
Tiefe der SO268 Expedition: 4 km
©Wikipedia
Introduction Julia M. Otte 22Die Tiefsee – das dunkle Paradies
Warum ist die Tiefsee ein besonderer Ort?
Enormer Druck (von allen Seiten)
Komplette Dunkelheit
Extrem kalt
Kaum Nahrungsmittel: Keine Photosystese! Kaum organische
Nahrungsquellen
Unendliche Matschwüsten & bizarre Gesteinsformationen
Introduction Julia M. Otte 23Tiefsee als Wohnort – Druck & Dunkelheit
Druck
Druck steigt mit einem bar/atm pro 10 m Tiefe
Es gibt daher Gebiete mit über 1,000 bar
Extrem für Meeresbewohner
Licht
Reicht nicht bis an den Meeresboden in der Tiefsee
Photosynthese ist daher nicht möglich
Meeresbewohner müssen sich eine andere
Energiequelle suchen…
Introduction Julia M. Otte 24Tiefsee als Wohnort - Nahrungsmittel
Energie
Chemosynthese
www.thoughtco.com
Marum, Germany
Hydrothermalschlote
Kalte Schlote (Cold seeps)
Organ. Material → driftet von oben auf den Meeresboden
Marine snow: Algenpartikel, Detritus, biolog. Abfälle
Whale fall
Wood fall
Sabine Lüdeling; PLOSOne
carbonacea.blogspot.com
gingercreative.net.au
Introduction Julia M. Otte Armando Veve 25Tiefsee als Wohnort – Temperatur und Sauerstoff
Temperatur
Gebiete mit größten und schnellsten Temperatur-
veränderungen
Wassertemperatur < 3,000 m: 0 - 3 °C
sciencing.com
Salzgehalt
Höchste Salzgehalte von 3.5% or 35 ppt
Sauerstoff
O2 – Eindringtiefe bis zu einigen Metern im Sediment (in Oxygen
Gebieten ohne viel organ. Material)
Introduction Julia M. Otte 26Warum ist es wichtig die Tiefsee zu studieren?
Eins der am wenigsten erkundeten Gebiete auf der Erde
“Wir wissen mehr über unseren Mond als über die
Tiefsee!”
Vor den späten 1970s:
Es war wenig über das Leben in der Tiefsee bekannt
Es wurde geglaubt, dass das Leben immer Sonnenlicht braucht
Leben ist kaum möglich in der Tiefsee
Ende 1970s:
Die Entdeckung von Shrimps in der Nähe von Hydrothermalschloten
Tiefsee-Bewohner bekommen ihre Energie und Nährstoffe direkt
von den Hydrothermalenquellen und von chemischen Reaktionen!
Introduction Julia M. Otte 27Bekannteste histor. Tiefsee-Expeditionen
Challenger Expedition 1872 & 1876:
Erste systematische Tiefsee-Expedition von britischen Forschern
Entdeckung von Mega- & Mikrofauna in der
Valdivia Expedition 1898 - 1899:
Tiefsee!
Deutsche Expedition von C. Chun an der Antarktischen Küste
Sehr viel Faunamaterial aus 4 km Tiefe gefunden
Introduction Julia M. Otte 28Warum ist es wichtig die Tiefsee zu studieren?
Es gibt Leben in der Tiefsee
Lebewesen haben sich an die extremen Bedingungen
angepasst!
Tiefsee ist ein sehr extremer Wohnort
Spezielle Forschungsausrüstung (Lange Kabel, Tauchroboter,
Druck-resistente Geräte,…)
Braucht sehr viel Zeit und kostet extrem viel im Vergleich zu
anderen Wissenschaftsgebieten
Sehr großer logistischer Aufwand die Tiefsee zu erforschen
Introduction Julia M. Otte 29Was kann man auf dem Tiefseeboden entdecken?
Schwämme
…Megafauna!
(Metergröße)
Fotos von SO268-2 © Geomar
Fotos von SO268-2 © Geomar
Fauna Julia M. Otte 30Was kann man auf dem Tiefseeboden entdecken?
Bryozoa Porifera Bryozoa
Bryozoa
Porifera + Hydrozoa
©Fauna Group
…Mikrofauna!
(Zentimetergröße)
©Fauna Group; SO268
Fauna Julia M. Otte 31Was kann man auf dem Tiefseeboden entdecken?
…und Metalllagerstätten
Massive sulfide deposits Cobalt-rich crust Manganese nodule fields
Metallquellen beinhalten: arsenic, copper, cobalt, nickel, lithium, platinum, tellurium,
zinc, lead, barium, gold, silver and rare earth elements
Mining impact Julia M. Otte 32Manganknolle im Detail
Untere Seite Obere Seite
Station 166_BC_37
Introduction Julia M. Otte 33Wir leben alle in einer High-Tech-Gesellschaft…
Elemente in unserem Smartphone….
Elektronik Bildschirm Batterie
Hülle
©Austmine.com
Steigende globale Nachfrage für Minerale und Metalle
Ständig neue techn. & elekt. Innovationen
Sinkende Qualität der Ressourcen
Wachsende Umweltverschmutzung an Land
Mining impact Julia M. Otte 34Was sind Manganknollen genau?
bestehen aus konzentrisch angeordnete
Zonen von Mikroschichten
Menge an Mn-Knollen aus dem NE-
Pazifik (CCZ): ca. 21 Milliarden Tonnen
Inhalte: Mn, Ni, Co, Cu, Molybdän,
Titan, Lithium, Seltene Erden →
polymetallische Knollen
Mn-knollen im Pazifik beinhalten mehr
Mn, Ni und Co als das gesamte
terrestrische Reservoir besitzt (Hein et al., 2012)
YB
Mn nodules Julia M. Otte 35Manganknollenfelder als Lebensraum
…hoch diverse Gemeinschaft von
unterschiedlichen mobilen und sesshaften
Faunaarten!
Mn nodules Julia M. Otte 36Vorkommen von Manganknollen
CCZ, NE Pacific
Peru Basin, SE Pacific
Cook Island region, SW Pacific
Indian Ocean Basin
Baltic Sea,…
Mn nodules Julia M. Otte 37Liegt unsere Zukunft im Tiefsee-Bergbau?
Techn. Entwicklungen im maritimen Sektor können aus dem
Tiefseebergbau ein profitables Geschäft machen!
©NautilusMineralsTechnology
©GreenBiz; omlus.com
Forschen und Arbeiten in der Tiefsee
Spezielle Technologische Ausrüstung
©NautilusMineralsTechnology
Kostet viel Zeit, Geld und Nerven ;)
steelguru.com
©DEME; PataniaII
Mining impact Julia M. Otte 38Expedition 2019 auf SO268
Als Mikrobiologin auf dem Forschungsschiff…
Julia M. Otte 39Expedition SO268-2
SONNE
RV v
Launching: 2014 SONNE
Max. speed: 15 kn
4 Diesel generators
100 m long
8 Laboratories
35 Crew
40 Scientists
©Steffen Niemann
February 2019 – May 2019 – SO268
Introduction Julia M. Otte 40Risiken des Tiefseebergbaus
Morgenmagazin, ZDF Film, 2 min
Julia M. Otte 41
IntroductionWer war alles auf dem Schiff?
Sensor Team Fauna Team Microbio Team Geochem Team ROV Team
Introduction Julia M. Otte 42Meine Forschungsfragen als Mikrobiologin:
? Wie werden die Mikroorganismen durch die
Sedimentwolke gestört?
? Wie schnell können sich die Mikroorganismen
regenerieren?
Mining impact Julia M. Otte 43Welche Geräte gibt es auf dem Schiff?
ROV Kiel 6000
OFOS (SONNE)
ROV-Profiler (MPI) &
& Elevator (Geomar)
Introduction Julia M. Otte 44Wie untersucht man Sedimentproben? Introduction Julia M. Otte 45
Wie untersucht man Manganknollen?
Bearbeitung einer Knolle dauert ca. 2 Stunden in einem 4°C Raum
Mn nodules Julia M. Otte 46Wie aktiv sind Mikroorganismen auf der Knolle?
Aktivität der Mikroorganismen in und auf
Manganknollen
Aktivität (µM/h)
Oben
Sediment
Unten
©BY&JO
Oben Innen Unten
Enzyme activity Julia M. Otte 47Wie sieht die mikrobielle Gemeinschaft aus?
Wasser
Schwamm
Manganknollenkern
Ophiuroid
Mikrobe
* Not scaled*
Chitin
Cellulose
©JOtte
Sediment
Mn Nodules Julia M. Otte 48Bakterien, die „Steine“ essen & produzieren
Mariprofundus ferrooxydans Leptothrix sp.
Chan et al., 2011 Schieber et al., 2007
Shewanella oneidensis Rhodobacter ferrooxidans Chlorobium ferrooxydans
Gorby et al., 2006 Gauger et al., 2015 Laufer, 2016 Hegler et al., 2015
Julia M. Otte 49
Introduction Julia M. Otte 49Außergewöhnliche Bakterienfreundschaft
Julia M. Otte 50
Introduction Julia M. Otte 50Tiefsee-Gärtnern?
Tiefseebergbau-Kollektoren verdichten durch ihr Gewicht
den Meeresboden
Idee: Nutzung einer Gartenrake, um das Sediment wieder
aufzulockern
Vergleich der Gemeinschaften vor und nach dem Tiefsee-
Bergbau, vor und nach der Gartenraken-Nutzung
Verdichtung des Auflockerung des
Sediments Sediments
Dr. Freija Hauquier, Ghent
Nematoda
Introduction FAUNA Team: Meiofauna Julia M. Otte 51Künstliche Manganknollen?
©Sabine Gollner and Coral Diaz Recio Lorenzo
©Sabine Gollner and Coral Diaz Recio Lorenzo
Korallen und Schwämme leben auf den Knollen (Substrate)
Manganknollen wachsen sehr langsam (wenige Millimeter pro 1
Million Jahre)
Wie kommen die sesshaften Organismen nach dem Bergbau wieder
zurück?
Keramikknollen als Restorationsmethode?
On Board Restoration Julia M. Otte 52W Julia M. Otte 53
Pressearbeit während wir auf dem Schiff waren…
Zeitungsartikel
Julia M. Otte 54Pressearbeit während wir auf dem Schiff waren… Ocean Blog Kiel Ocean Blog (participated in > 4 articles) Introduction Julia M. Otte 55
Impressionen vom Schiff – Krebse & Delfine Mining impact Julia M. Otte 56
Impressionen vom Schiff – Arbeiten auf dem Schiff Mining impact Julia M. Otte 57
Impressionen vom Schiff – Geräte auf dem Schiff Mining impact Julia M. Otte 58
Impressionen vom Schiff – Essen auf dem Schiff Mining impact Julia M. Otte 59
Impressionen vom Schiff – Leben auf dem Schiff Mining impact Julia M. Otte 60
Acknowledgements
Thank you all for your attention!
https://neal.fun/deep-sea/
DEME Geomar, Kiel
Geomar, Kiel
Geomar, Kiel
Julia M. Otte
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