Chemie. Biologie. Geologie. Organic Biogeochemie. Organische Biogeochemie. NLT presentatie Schouten 2/6/2017. De taal is organische moleculen

Transcriptie

1 rganic Biogeochemie Chemie rganische Biogeochemie De taal is organische moleculen Biologie Geologie De toepassingen zijn in (micro-)biologie, element cycli en paleoklimatologie 1 Verdeling van biomassa op Aarde Koninklijk Royal Netherlands Nederlands Institute Instituut for voor Sea Research Zeeonderzoek Membraanlipiden: Van microbiële ecologie tot vroegere zeewatertemperaturen Stefan Schouten Mijoen ton biomassa Bron: Wikipedia en anderen 5,, 35, 3, 25, 2, 15,, 5, Er zijn ca.,,,,,,,,, microben in de oceaan NIZ is part of the Netherlands rganisation for Scientific Research (NW) 3 Microben domineren al miljarden jaren de Aarde Microben in zeewater onder de microscoop S.J. Gould Foto: Jed Fuhrman Bacteriesoorten zijn niet herkenbaar onder de microscoop: DNA technieken nodig 1

2 16S Ribosomaal RNA als barcode van een organisme Wie is wie bij de microben: DNA analyse DNA sequenties van microben Fylogenetische boom (computer-genereerde best fit) 21 proteinen 16S rrna 7S Ribosoom 3S subunits 5S 3 proteinen 5S rrna 23S rrna Escherichia coli 16S rrna Structuur DNA sequenties uit zeewater De meest recente DNA boom van het leven Bacteriën Een simpelere DNA boom van het leven (jaren 9) Allemaal extreme thermofielen Sulfolobus shibatae Thermofilum pendens Desulfurococcus mobilis Pyrodictium occultum Pyrobaculum aerophilum Thermoproteus tenax ARCAEA ( erbacterie ) Methanosarcina barkeri Thermoplasma acidophilum alobacterium halobium Methanobrevibacter arboriphilicus Methanococcus igneus Methanococcus jannasschii Bacillus subtilis Thermotoga maritima Escherichia coli Eukaryoten Variamorpha necatrix Giardia intestinalis BACTERIA ug et al. (216) Archaea EUCARYA Zea mays xytricha nova Euglena gracilis Trypanosoma brucei omo sapiens (After DeLong et al. (1998) Appl. Environ. Microbiol. 6, ) Voorkomen van Archaea ( erbacterie ) 16s ribosomaal DNA boom Mariene Group-I Mariene Group-II Allemaal (hyper) thermofielen SBAR5 ANTARCTIC12 B7 Cenarchaeum symbiosum psl12 Sulfolobus shibatae Thermofilum pendens Desulfurococcus mobilis Pyrodictium occultum Pyrobaculum aerophilum Thermoproteus tenax ARCAEA ( erbacterie ) ANTARCTIC5 WARN SBAR16 Methanosarcina barkeri Thermoplasma acidophilum alobacterium halobium Methanobrevibacter arboriphilicus Methanococcus igneus Methanococcus jannasschii Bacillus subtilis Thermotoga maritima Escherichia coli Variamorpha necatrix Giardia intestinalis BACTERIA Temperatuur >8 C, p <2, geen zuurstof, zoutmeertjes EUCARYA Zea mays xytricha nova Euglena gracilis Trypanosoma brucei omo sapiens (After DeLong et al. (1998) Appl. Environ. Microbiol. 6, ) 2

3 Diversiteit binnen de Archaea Voorkomen van Thaumarchaeota Diepteprofiel van Bacteria en Archaea in de Stille ceaan In cultuur Alleen milieu DNA sequenties DNA analyse van oceanen, meren en bodems laat zien dat meer dan 9% van alle microben niet in cultuur is beschreven en dus onbekend is Thaumarchaeota In cultuur Alleen millieu DNA sequenties Schleper et al., Nature Reviews Microbiology 25 2% van alle microben in de oceaan zijn Thaumarchaeota, Er zijn1.3*1 28 cellen aan Thaumarchaeota in de oceaan Seizoensvoorkomen van mariene Thaumarchaeota Membraanlipiden van Archaea uit: Brock - Biology of Microorganisms (9 th Edition, 2) In de Noordzee: altijd bloei in de winter Komt voor de bloei van de algen Bacteriën Archaea gebruiken ammonia voor energie 15 bijvoorbeeld (hyperthermofiele) Analyse van archaeale lipiden in zeewater Crenarchaeol: een unieke membraanlipide? Tetraether lipid van een thermofiel crenarchaeol (23 chirale centra) Sinninghe Damsté et al. (22) J. Lipid Res., 3,

4 NLT presentatie Schouten 2/6/217 Waar vind je crenarchaeol? Samenvattend Mariene Thaumarchaeota, ontdekt in de begin jaren 9, zijn overal in hoge aantallen aanwezig in de huidige oceaan et zijn ammonia-oxideerders die belangrijk zijn voor de stikstofcyclus Ze maken een unieke membraanmolecuul Wat bepaalt de samenstelling van de membraan? Membraanlipiden van Thaumarchaeota nze oerthermometer: de observatie mariene Thaumarchaeota (<1 m) Arabische Zee SST: ~27 C bacteriën 2 Noordzee SST: ~12 C 3 FIS microscopie (St. Barbara Channel, 8 m diepte, Foto van E.F. DeLong) TEX 86 = 3 1 [2]+[3]+[ ] [1]+[2]+[3]+[ ] Retentietijd TetraEther index van lipiden met 86 koolstofatomen Biologische validatie van de TEX 86 oerthermometer.9 Texel TEX TEX 86 =.17 * T +.6 R 2 = Groeitemperatuur ( C) Noorzee water Indische ceaan water

5 nze oerthermometer: de ijkgrafiek 9 6 Wat gebeurt er met deze moleculen? 3 Water Core top locations T E X Gemiddelde zeewater temperatuur ( C ) Jong sediment Zeebodem 5

6 Tijd 6

7 Voorkomen van crenarchaeol in oude sedimenten We kunnen dus zeewatertemperaturen van de laatste 15 miljoen jaar bepalen komt overal voor Pleistocene Pliocene Miocene ligocene Eocene Paleocene Late Cretaceous Early Cretaceous Late Jurassic Middle Jurassic 23 Miljoen jaar 6 Miljoen jaar 15 Miljoen jaar C 2 concentraties (ppm) De Aarde was een broeikas en wordt dat weer (?) Niveau in 2 uidig niveau niet gevonden Early Jurassic Triassic 28 Miljoen jaar 55 miljoen jaar geleden, snelle stijging van 2-3x huidige niveau C 2 naar 3-x huidige niveau C 2 Foster, Royer, Lunt ACEX - Arctic Coring EXpedition ACEX Boren in actie nly 25 km from the North pole IJsbreker 2 IJsbreker 1 Boorschip Luchtfoto van 33 m hoogte Zeewatertemperaturen in de Arctische ceaan tijdens het Palaeoceen / Eoceen Thermische Maximum TEX 86 temperaturen 5-55 miljoen jaar geleden ~ 5 C ~ 7 C 35 C (16 C) 35 C (25 C) 23 C (-1 C) 27 C (7 C) 31 C (1 C) 38 C (29 C) Palaeoceen / Eoceen Thermische Maximum ~ 55 Mjr geleden 33 C (9 C) 25 C (-1 C) 32 C (19 C) Kaart: Appy Sluijs (UU) 2 7

8 Fossiele pollen in ACEX boorkern Fossiele bomen uit het Eoceen in noordelijke punt van Canada Pollen van palmbomen Temperatuur op de Noordpool altijd >5 C Napartulik (plaats van bomen) verzicht temperatuurschattingen Temperatuur ( C) ( milj.) (5 milj.) oog C 2 oger C 2 Laag C 2 Temperatuurverschil t.o.v. heden ( C) Breedtegraad ( ) Uitkomsten verschillende klimaatmodellen CNCLUSIES et was heel erg warm in tijden dat de koolstofdioxide concentratie ook hoog was. nzeker is hoe hoog C 2 exact was maar warmer was het sowieso. Beste schatting: ca. 2- C per verdubbeling C 2 Vooral de poolgebieden waren veel warmer: bij genoeg hoge temperaturen geen ijs meer Klimaat van de laatste miljoen jaar is eigenlijk relatief koud ten opzichte van de voorafgaande 9 miljoen jaar Resultaten uit het verleden zijn geen garantie voor de toekomst maar... 8

9 Dank aan.. Mariene rganische Biogeochemie groep Broeikasgasperiode I: het midden Krijt (ca. 9 miljoen jaar geleden) DP 1276 DSDP 367 DP 126 DSDP 53 studied cores, Deep Sea or cean Drilling Program (DSDP or DP) Temperatuurgegevens uit het Cenomaan (93.5 Mjr) Sample A-7R-CC (Cenomanian) TEX 86 ~.9 Arabische Zee Temperatuur: ~27 C ZT: ~12 C Noordzee Krijt verzicht van temperaturen van het Krijt Recent 65.5 Ma Maastrichtian Campanian Lower Upper Santonian Coniacian Turonian Cenomanian Laat Cenomaan Albian Aptian Barremian auterivian Valanginian Berriasian 36 C 12 Ma 36 C 27ºC 27ºC 36 C 1ºC Retentietijd (min) 1 Paleogeografie: ~93.5 Ma 29 C 2ºC Retentietijd et klimaat van het midden Krijt: heel warm! et midden Krijt werd gekenmerkt door een zeewaterspiegel die 25 m hoger was - hoge T - hoge C 2 concentratie - onderwater vulkanisme Steenkool Tropische bodem (bauxiet) evaporieten (zout, gips) Calcrete (hard carbonaat korst) 9

10 uderdom (miljoenen jaren) After Zachos et al., 21; Science Vroegere Broeikasklimaten II PETM = Palaeoceen/Eoceen Thermische Maximum ~ 55 Miljoen jaar geleden Snelle toename in C 2 PETM Voorkomen van crenarchaeol in oude sedimenten Nanoarchaeota Thaumarchaeota Thaumarchaeota zijn >1 miljard jaar oud Restanten van moleculen gevonden in 2,7 miljard jaar oude gesteentes (Ventura et al., 27) komt overal voor niet gevonden Pleistocene Pliocene Miocene ligocene Eocene Paleocene Late Cretaceous Early Cretaceous Late Jurassic Middle Jurassic Early Jurassic Triassic 23 Ma 6 Ma 15 Ma 28 Ma Thaumarchaeota (vroeger bekend als Groep I.1a ) zijn autotrofe aeröbe nitrificeerders C 2 2 N + N - 3 Mondiale opwarming 55 miljoen jaar geleden (t.o.v. de toch al warme temperaturen!) s ribosomaal DNA boom 16S rdna boom in relatie met crenarchaeol biosynthese Allemaal (hyper) thermofielen Sulfolobus shibatae Thermofilum pendens Desulfurococcus mobilis Pyrodictium occultum Pyrobaculum aerophilum Thermoproteus tenax Variamorpha necatrix Giardia intestinalis EUCARYA ARCAEA Zea mays xytricha nova Euglena gracilis Trypanosoma brucei omo sapiens Methanosarcina barkeri Thermoplasma acidophilum alobacterium halobium Methanobrevibacter arboriphilicus Methanococcus igneus Methanococcus jannasschii Thermotoga maritima Bacillus subtilis Escherichia coli BACTERIA (After DeLong et al. (1998) Appl. Environ. Microbiol. 6, ) Ca. Nitrosopumilus maritimus (DQ8597) 9 1C E1 (AY8232) Marine sediment enrichment AR Marine sediment enrichment SJ13 pmc2a1 (AB19723) PM7 (U7119) 97 ACA17-9cm (AF11915) SAGMA-9 (AB5239) Ca. Cenarchaeum symbiosum (U5169) ppca (AB93) pivwa11 (AB19729) 56 DP123A13 (AB17792) 63 SB95-57 (U78199) DP123A17 (AB177) 99 Crenarchaeal Group I.1b (incl. Nitrososphaera gargensis) Thermophilic AA (incl. Nitrosocaldus yellowstonii) Marine Benthic Group A Marine Benthic Group B Miscellaneous Crenarchaeal Group Euryarchaeaota Nieuw fylum: Thaumarchaeota Crenarchaeol biosynthese Crenarchaeal Group I.1a h, nee Geen crenarchaeol 1

11 Temperaturen in het Arctisch gebied in het Plioceen (ca -5 miljoen jaar oud; C 2 concentratie ~ ppmv) Schatting van de temperatuur m.b.v. drie verschillende methoden Frequentie Dat is ongeveer 19 C hoger dan vandaag de dag Fossiel veen -2 2 Luchttemperatuur ( C) Sedimentval data (5 m) van de Arabische Zee TEX NEM SI SWM FI NEM Satellite TEX Tijd (dagen) Zeewater temperatuur ( C) TEX 86 Calibratie van de TEX 86 palaeothermometer voor de warme zeewatertemperaturen van het Krijt Nitrososphaera gargensis: Een microbe geisoleerd van een heetwaterbron, gekweekt bij C Pitcher et al. ISME J. (21) Kim et al. 28 Core top calibratie Zeewatertemperatuur ( C) Krijt waardes TEX 86 = 1. Crenarchaeol N. gargensis Crenarchaeol regio-isomer 16s ribosomaal DNA boom van het leven Een nieuwe fylum: de Thaumarchaeota Allemaal (hyper) thermofielen Sulfolobus shibatae Thermofilum pendens Desulfurococcus mobilis Pyrodictium occultum Pyrobaculum aerophilum Thermoproteus tenax Variamorpha necatrix Giardia intestinalis EUCARYA ARCAEA Zea mays xytricha nova Euglena gracilis Trypanosoma brucei omo sapiens Methanosarcina barkeri Thermoplasma acidophilum alobacterium halobium Methanobrevibacter arboriphilicus Methanococcus igneus Methanococcus jannasschii Thermotoga maritima Bacillus subtilis Escherichia coli BACTERIA (After DeLong et al. (1998) Appl. Environ. Microbiol. 6, ) Nitrososphaera gargensis Nitrosopumilus maritimus SCM1 Cenarchaeum symbiosum A Thermofilum pendens rk 5 Caldivirga maquilingensis IC 167 Pyrobaculum calidifontis JCM 1158 Pyrobaculum aerophilum str. IM2 Pyrobaculum arsenaticum DSM Pyrobaculum islandicum DSM 18 9 Thermoproteus neutrophilus V2Sta Ignicoccus hospitalis KIN_I Desulfurococcus kamchatkensis 1221n Staphylothermus marinus F1 Aeropyrum pernix K1 8 yperthermus butylicus DSM 556 Metallosphaera sedula DSM 538 Sulfolobus tokodaii str. 7 Sulfolobus acidocaldarius DSM Sulfolobus solfataricus P2 Sulfolobus islandicus M.1.25 Sulfolobus islandicus L.S.2.15 Korarchaeum cryptofilum PF8 Nanoarchaeum equitans Kin M Pyrococcus furiosus DSM 3638 Pyrococcus horikoshii T3 Pyrococcus abyssi GE5 Thermococcus barophilus MP Thermococcus sibiricus MM 739 Thermococcus onnurineus NA Thermococcus kodakarensis KD1 Thermococcus gammatolerans EJ3 Thermococcus sp. AM Methanopyrus kandleri AV19 Methanothermobacter thermautotrophicus str. Delta Methanobrevibacter smithii ATCC 3561 Methanosphaera stadtmanae DSM 391 Methanocaldococcus infernus ME Methanocaldococcus vulcanius M7 Methanocaldococcus jannaschii DSM 2661 Methanocaldococcus fervens AG Nanoarchaeota 22 Korarchaeota 1996 Methanococcus aeolicus Nankai 3 Methanococcus voltae A3 Methanococcales Methanococcus vannielii SB Methanococcus maripaludis S2 Methanococcus maripaludis C5 75 Methanococcus maripaludis C6 98 Methanococcus maripaludis C7 uncultured marine group II DeepAnt JyKC7 Aciduliprofundum boonei T69 Thermoplasma acidophilum DSM 1728 Thermoplasmatales Thermoplasma volcanium GSS1 Ferroplasma acidarmanus fer1 + group II Picrophilus torridus DSM 979 Ferroglobus placidus DSM 162 Archaeoglobus fulgidus DSM 3 Archaeoglobales alobacterium sp. NRC 1 alobacterium salinarum R1 alorhabdus utahensis DSM 129 aloarcula marismortui ATCC 39 alomicrobium mukohataei DSM Natronomonas pharaonis DSM 216 alobacteriales Natrialba magadii ATCC 399 alorubrum lacusprofundi ATCC 9239 alogeometricum borinquense DSM aloquadratum walsbyi DSM 1679 Methanocorpusculum labreanum Z Methanospirillum hungatei JF 1 Methanoculleus marisnigri JR1 Methanomicrobiales Candidatus Methanoregula boonei 6A8 85 Methanosphaerula palustris E1 9 uncultured methanogenic archaeon RC I Methanosaeta thermophila PT Methanococcoides burtonii DSM 622 Methanosarcina barkeri str. Fusaro Methanosarcina mazei Go1 Methanosarcina acetivorans C2A Nanoarchaeota Thaumarchaeota 28 Thermoproteales Desulfurococcales Sulfolobales Nanoarchaeota Thermococcales Methanopyrales Methanobacteriales Methanosarcinales Waarschijnlijk de eerste archaeale stam die is onstaan Thaumarchaeota Korarchaeota Brochier-Armanet et al. (28) Nat. Rev. Microbiol. 6, ; Spang et al., (21) Tr. Microbiol., 8,

12 ns toekomstig klimaat? pwarming zal door blijven gaan wanneer uitstoot van broeikasgassen zal continueren. C2 Eq ns toekomstig klimaat? business as usual (29-299) scenario: globale opwarming 2.8 o C 3. o C = 6.1 o F 2.8 o C = 5. o F 1.8 o C = 3.2 o F o C = 1. o F Bron: IPCC Bron: IPCC et toekomstig klimaat in Nederland Waargenomen gemiddeld aantal zomerse dagen (>= 25 C) per jaar voor Toekomstige zeespiegelstijging in Nederland Nu: ~ 3 mm per jaar Schagen Schagen Zomertemperatuur (juni-augustus) in De Bilt tussen 19 en 25, en de vier klimaatscenario s voor 25 (gekleurde lijnen). Bron: KNMI, de Bilt Klimaatscenario s voor 25 Bron: KNMI, de Bilt De Aarde is opgewarmd in de laatste eeuw Globally averaged, the planet is about.75 C warmer than it was in 186, based upon dozens of high-quality long records using thermometers worldwide, including land and ocean. Eleven of the last 12 years are among 12 warmest since 185 in the global average. Bron: IPCC 12

13 Kooldioxide concentratie en temperatuur De Aarde warmt op. Pre-industriële C 2 maximum de zeespiegel stijgt. Pre-industriële C 2 minimum.en sneeuw smelt weg Bron: IPCC 13