Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.01.2011

Die Rolle des Schwefels im primordialen biochemischen Arsen-Kreislauf

Prof. Dr. Britta Planer-Friedrich
Universität Bayreuth
Juniorprofessur Umweltgeochemie

Dr. Robert Jellison
University of California, Santa Barbara
Marine Science Institute

Prof. Dr. James T. Hollibaugh
University of California, Santa Barbara
Marine Science Institute


Leben wie wir es heute kennen, benötigt Phosphor. Arsen, das im Periodensystem unmittelbar darunter liegt, zeigt genügend chemische Ähnlichkeit, dass viele Organismen versuchen, Phosphat durch Arsenat zu ersetzen; für die meisten Organismen ist Arsen aber ein Gift. Kürzlich wurden allerdings vom Mono Lake – einem Arsen- und Sulfid-reichen, Sauerstoffarmen, hypersalinaren See Mikroorganismen isoliert, die Arsenat als Elektronenakzeptor verwenden können. Da der Mono Lake typische primordiale Bedingungen aufweist, stellt sich die Frage, ob As-Metabolisierer ein Indikator dafür sind, dass Arsen vor der Entwicklung der modernen Photosynthese eine wichtige biologische Rolle spielte. Wir vermuten, dass ein solcher früher Arsen-Kreislauf ganz entscheidend durch Schwefel beeinflusst worden wäre. Anstelle einer direkten Oxidation von Arsenit zu Arsenat, schlagen wir vor, dass Arsenit in sulfidischen Environments viel einfacher mit Polysulfiden reagieren kann, sich daraus Thioarsenate bilden, die sich wiederum zu Arsenat umwandeln. Die Identifikation von Reaktionswegen und -raten der Thioarsenatbildung und -umwandlung wird grundlegende Mechanismen des Energiegewinns primitiver Mikroorganismen aufdecken und wichtige Hinweise geben auf die Entwicklung frühen und möglicherweise extraterrestrischen Lebens.

Abschlussbericht
Im Rahmen des Projektes wurden 2011 und 2012 Studien am Mono Lake durchgeführt, einem alkalischen Endsee in Kalifornien, als Analogon primordialer Bedingungen, also Bedingungen zur Zeit der Entwicklung frühen Lebens auf der Erde. Speziell wurde untersucht, welche Rolle Arsen als Energiequelle für primitive Mikroorganismen spielt, bzw. wie höhere trophische Ebenen, z.B. Picocystis (Phytoplankton) oder die endemischen Brine Shrimps, hohe Arsengehalte tolerieren.

Vorherige Studien postulierten, dass schon vor der Entstehung freien Sauerstoffs Mikroorganismen durch anoxische Photosynthese Arsenit zu Arsenat oxidierten und damit einen Redoxkreislauf schufen, der energetisch von anderen Lebewesen genutzt wurde. Unseren Studien zeigen, dass unter primordialen Bedingungen die Umwandlung von Arsen eng an den Schwefel-Redoxkreislauf gekoppelt ist und sich Arsenat nicht direkt mikrobiell aus Arsenit bildet. Vielmehr führt die Oxidation von Schwefel zur Bildung von Polysulfiden, die abiotisch mit Arsenit Monothioarsenat bilden. Wir konnten ausserdem zeigen, dass dieses Monothioarsenat von anaeroben Arsenat-Reduzierern (Stamm MLMS-1) und anaeroben Arsenit-Oxidizierern (Stamm MLHE-1) zum Wachstum genutzt wird. Dies deutet an, dass nicht Arsen eine zentrale Rolle in der Entwicklung des frühen Lebens spielte, sondern vielmehr - wie bereits bekannt - Schwefel. Inkubationsexperimente zeigten zudem eine geringere Arsen-Aufnahme in höhere Organismen, wie Picocystis und Brine Shrimps, wenn diese Thioarsenaten anstelle von Arsenit oder Arsenat im Wasser ausgesetzt waren. So war die Anwesenheit von Schwefel und dessen Komplexierung von Arsen vermutlich auch eine wichtige Startvoraussetzung für die Entwicklung höheren Lebens in primordialen Arsen-reichen Wässern.

Die gewonnen Daten werden gerade in drei Promotionsarbeiten sowie einer Masterarbeit verarbeitet. Zwei Publikationen sowie ein DFG-Antrag sind in Vorbereitung.