Loppusijoitustilan mikrobisto ja sen toiminta KYT2018 seminar, Malin Bomberg

Transkriptio

1 VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND LTD Loppusijoitustilan mikrobisto ja sen toiminta KYT2018 seminar, Malin Bomberg

2 Syväbiosfääri vs. nuori planeetta Maa Syväbiosfääri oletetaan edustavan nuoren maapallon oloja Ennen ilmakehän muodostumista elämän oli mahdollista kehittyä vain suojaisissa paikoissa, ei maapallon pinnalla, koska auringon UV-säteily olisi tappanut kaiken elämän Pimeä ja suojaisa syvä maankuori on mahdollinen alkuelämän kehityspaikka 27/04/ ster.svg/350px-earth_poster.svg.png 2

3 Millä tavalla syväbiosfääri eroaa pintabiosfääristä? Auringonvalon puute Ei fotosynteettisesti tuotettuja hiiliyhdisteitä Lämpötila Paine Suola Suomessa lämpötila kasvaa lineaarisesti Outokummussa 2.5 km syvyydessä 40 C Vesipatsaan paine Ympäröivän kallion tuottama paine Hapettomuus Pelkistyspotentiaali kasvaa syvyyden mukaan Kallioperän luonnollinen radioaktiivisuus 27/04/2018 3

4 Syväbiosfäärin laajuus Syvän merenpohjan tytkimusten perusteella on arvioitu, että jopa puolet maapallon biomassasta löytyy syväbiosfääristä (Whitman et al., 1998) mikrobisolua = g hiiltä mikrobimuodossa Syvän kallioperän osuus on arvioitu olevan noin 19% maapallon kokonais biomassasta (McMahon & Parnell 2014) Hypoteettisesti, jos kallioperän kaikki huokoset olisivat veden täyttämät 5 km syvyyteen asti ja 1% tästä tilavuudesta olisi mikrobibiomassaa è peittäisi koko maapallon 1,5 m paksulla kerroksella (Thomas Gold 1992) 27/04/2018 4

5 Mitä mikrobit tarvitsevat säilyäkseen hengissä syväbiosfäärissä? Tilaa Vettä Hiekkakiven huokoset Tuliperäiset tai metamorfiset kiteiset kivilajit - rakovyöhykkeet Huokosvedet Rakovyöhykevedet Sopiva lämpötila Toistaiseksi lämpötilaennätys Methanopyrus kandleri 122 C, kovassa paineessa Energianlähde ja solun rakennusmateriaalia 27/04/2018 5

6 Mitä on tarjolla? Energianlähde todennäköisimmin geokemiallinen ei valoa Käyminen ja hapeton soluhengitys Elektronin luovuttajat Orgaaniset yhdisteet, asetaatti, metaani Vety H 2 Elektronin vastaanottajana joku muu kuin O 2 Nitraatti NO - 3 Mangaani Mn 4+ Rauta Fe 3+ Sulfaatti SO 2-4 Rikki S 0 Hiilidioksidi CO 2 27/04/2018 6

7 Mahdolliset reaktiot Hallbeck & Pedersen, 2008, Applied Geochemistry, 23; /04/2018 7

8 Avain mikrobit Sulfaatin pelkistäjät sulfaatinpelkistyksestä energiaa Hapettavat orgaanisia hiiliyhdisteitä tai H 2 pelkistäen sulfaattia rikkivedyksi (H 2 S) Metanogeenit Hapettavat CO 2 H 2 :n avulla CH 4 :ksi Asetoklastinen metanogeneesi Asetaatin disproportionaatio, CH 3 COO + H + CH 4 + CO 2 Metanoli, di- ja tri-metylamiini Asetogeenit Asetaatin tuottoa CO 2 + H 2 Orgaaninen C + H 2 27/04/2018 8

9 Anaerobinen metaanin hapetus? Metaanin hapettajat Metaani hapettuu O 2 :n avulla hapellisissa oloissa Tiettyjä bakteerilajeja - metanotrofit Hapettomasti metaani hapettuu nitraatin, raudan tai sulfaatin avulla Tietyt bakteerit ANME-arkeonit Yksin? Yhdessä sulfaatinpelkistäjien kanssa? Typen sitoojat? N 2 sitoojamikrobit tuottavat ammoniumia Typenlähde monelle mikrobiryhmälle Samalla tuottaa vetyä (1 3 H 2 /NH 4 + riippuen nitrogenaasi entsyymistä) 27/04/2018 9

10 Miten syväbiosfäärin mikrobeja tutkitaan? Viljelymenetelmin arviolta vain 1% mikrobeista kasvaa laboratoriossa Mikrobimäärät voidaan määrittää mikroskopoimalla DNA- ja RNA-pohjaisia menetelmiä Monistetaan ja sekvensoidaan valittuja geeniosioita Suhteellisia osuuksia Lajistomäärityksiä Metagenomiset ja metatranskriptomiset menetelmät Määritetään aineenvaihduntareittejä ja arvioidaan mikrobien funktioita ja aktiivisuutta pohjavedessä Bioinformatiikkaa Mikrobien aktiivisuuteen, aineenvaihduntaan ja substraatinkäyttöön perustuvia menetelmiä 27/04/

11 Mikrobimäärät Olkiluodon syvissä pohjavesissä Solumäärä/mL 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 0 Bacterial 16S rrna gene copies ml -1 x Archaea/Bacteria ratio Depth (m) Syvyys, m Archaeal 16S rrna gene copies ml -1 x Depth (m) Depth (m) /04/

12 Olkiluodon pohjavedessä näkyy Itämeren eri vaiheet kerrostumina SO 4 SMTZ CH 4 Suolaisuus kasvaa a 27/04/ Olkiluoto Site Description 2011, Part 2 (Posiva )

13 ANME-2D/Methanoperedens Archaea 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % Hapettaa metaania nitraatin avulla Hapettaa metaania sulfaatin avulla Tuottaa mahdollisesti asetaattia 296 m 328 m 340 m 347 m 405 m 415 m Euryarchaeota ANME-2D Thermoplasmatales 423 m 510 m 510 m 559 m 693 m 798 m Unidentified Archaea 27/04/

14 Monimuotoiset mikrobiyhteisöt Bacteria 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 296 m Syväbiosfääri elinympäristönä yleensä matalaenerginen ja oligotrofinen Mitään ei ole runsaasti, paitsi paikkoin metaania tai sulfaattia Metanogeenit ja sulfaatinpelkistäjät usein vähemmistönä 328 m 340 m 347 m 405 m 415 m 423 m Olkiluodosta toistaiseksi havaittu noin 1000 bakteerisukua 100 arkeonisukua 100 sienisukua (Sohlberg et al., 2015) 510 m 559 m 572 m 693 m Muita aitotumallisia ja viruksia Olkiluodon syväbiosfäärin mikrobiyhteisö syvyysprofiilissa NGS sekvensoinnin perusteella sukutasolla (Bomberg et al., 2015) 27/04/ m

15 Sienet syväbiosfäärissä Hajottavat eloperäistä ainesta Kuollut biofilmi kivipinnoilla Rapauttaa kivimateriaalia Ravinteita ja mineraaleja vapautuu muun yhteisön käyttöön Heterotrofiset anaerobiset sienet vapauttavat myös vetyä aineenvaihdunnassaan Muu yhteisö hyötyy Symbioosi (?) anaerobisten kiveä rapauttavien sienten ja sulfaatinpelkistäjien välillä (Drake et al., 2017). Perustana biofilmeille? 27/04/

16 Yleisimmät ovat ne mikrobiryhmät jotka parhaiten pystyvät hyödyntämään tarjolla olevat mahdollisimman korkeaa energiatasoa omaavat elektronin vastaanottajat ja elektronin luovuttajat; Sulfaatin pelkistäjillä on korkeampi affiniteetti H 2 :lle kuin metanogeeneilla è SRB vallitsee, jos on riittävästi SO 4 2- Jos SO 4 2- pitoisuus on alhainen è metanogeenit nappaavat H 2 :n Mikrobit toimivat yhdessä, toisen jäte on toisen ruoka Muokkaavat ympäristöään 27/04/

17 Mikrobien aktiivisuus syväbiosfäärissä Rakovyöhykkeet ovat voineet olla eristyksissä satoja tuhansia vuosia Suolapitoisuus stabiloitunut Geokemia stabiloitunut Mikrobiyhteisöjen elämäntavat stabiloituneet siihen tilaan mitä ravinne- ja energiatasot sallivat Elämä on hyvin hidasta (horrostila?) Populaatiot eivät kasva solun jakaantumisaika voi olla vuosia DNAn ja muiden tärkeiden komponenttien uusiminen ja huolto Jos populaatiotiheys kasvaa liian suureksi è virukset aktivoituvat è liiat solut lyysaantuvat è ravinteet kiertoon 27/04/

18 Hiilenlähteiden aktivoiva vaikutus Jos ravinnetaso nousee (pintavesien mukana tulleet ravinteet, louhintatoiminnot, rakovyöhykkeiden puhkaistuminen ja yhdistyminen, virusten aiheuttamaa ravinteiden kiertoa) è aktiivisuus voi lisääntyä nopeasti Nopea vaste (muutama tunti) aineenvaihdunnan vilkastuminen, transkription vilkastuminen Pidempiaikaiset muutokset yhteisön koostumukseen Ei lisäyksiä Metaani Metanoli Kuvat; P. Rajala 27/04/

19 Nopea reaktio Aineenvaihdunta kiihtyy nopeasti Merkkigeenien transkriptio dsrb sulfaatin pelkistys pmoa metaanin hapetus narg nitraatin pelkistys Rajala et al, 2015, Microorganisms 3: /04/

20 Yhteisön muutos typpiyhdisteiden avulla Nitraatti ja ammonium, energian- ja typenlähteitä syvissä pohjavesissä Yleensä niukasti saatavilla 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % Voivat joutua pohjavesiin lannoitteista, torjuntaaineista, räjähteistä Original NH4 enriched NO3 enriched OD1 OP11 Malikia 0,16 Malikia Gallionella Methylobacter 1 kk inkubaatio nitraatin tai ammoniumin kanssa Bakteeriyhteisön monimuotoisuus köyhtyi ja tietyt vähemmistölajit rikastuivat NH4 assimilating NO3 assimilating Kutvonen et al., 2015, Frontiers in Microbiology, 6 27/04/ Tardiphaga' Mesorhizobium Mesorhizobium Rhizobium Delftia Curvibacter Pelomonas Undibacterium

21 Metagenomiikka/-transkriptomiikka Archaea Bacteria Both Selvitetään koko mikrobiyhteisön yhteinen DNA tai RNA Aineenvaihduntareitit? Potentiaali Aktiivisessa käytössä Hiilen fiksaatio? Typen fiksaatio? Hiilenlähteitä? Rikin kierto? Aineenvaihduntatuotteet? Asetaatti Metaani Sulfidi 27/04/

22 Summary Syvien pohjavesien mikrobiyhteisöt ovat hyvin monimuotoiset Mikrobit reagoivat muutoksiin elinympäristössään Toimivat yhteisönä, muokkaavat elinympäristöään Miten ne vaikuttavat toisiinsa? Interaktiot? Typenkierto syväbiosfäärissä on vielä huonosti tunnettu Miten tehokas typensidonta on? Metaani on yleisin hiiliyhdiste Kuka käyttää? ANME-arkeonit? 27/04/

23 Kiitokset Posiva Oy Census of Deep Life, DCO, Alfred P. Sloan Foundation, Academy of Finland VTT; Pauliina Rajala, Mari Nyyssönen, Lotta Purkamo, Maija Nuppunen-Puputti, Mirva Pyrhönen, Hanna Miettinen, Minna Vikman, Merja Itävaara GTK; Riikka Kietäväinen, Lasse Ahonen, Arto Pullinen, Ilmo Kukkonen (Uni Helsinki) 27/04/

24 TECHNOLOGY FOR BUSINESS