Wanneer mineralen gekoppeld zijn aan de aanwezigheid van leven

Per definitie is een mineraal een natuurlijke vaste stof, doorgaans gevormd door anorganische processen, met een geordende rangschikking van elementen en met een vaste chemische samenstelling en fysische eigenschappen die binnen een beperkt bereik variëren. In de natuur zijn er verschillende geologische contexten waar we over het algemeen verschillende mineralen aantreffen die drie soorten gesteenten vormen: sedimentair, metamorf en stollingsgesteente. In sedimentaire omgevingen (onder andere kusten, rivieren en meren), waarin sedimentaire processen zich ontwikkelen in contact met de biosfeer, kunnen we prachtige uitzonderingen vinden op de oorspronkelijke definitie van mineraal in relatie tot de vorming ervan. Over het algemeen zijn micro-organismen (autotrofe eukaryoten en prokaryoten, autotrofen en heterotrofen) in meersystemen vormen gelamineerde benthische microbiële gemeenschappen die microbiële matten worden genoemd. Deze matten vangen afvalkorrels op en plakken deze vast (door de verwering en erosie van omringende rotsen) of veroorzaken de neerslag van authogene mineralen, dat wil zeggen mineralen die ter plaatse neerslaan. Juist in microbiële matten en andere levende wezens resulteert dit in de biogeïnduceerde of biogecontroleerde precipitatie van mineralen. De meest voorkomende biomineralen zijn carbonaten (aragoniet, calciet en dolomiet), hoewel fosfaten (apatiet), kleimineralen (smectieten en palygorskiet), sommige oxiden (magnetiet), sulfiden (pyriet) en sulfaten (gips en hexahydriet) in gelijke mate bio-geïnduceerd of biologisch gecontroleerd.

Wat is het verschil tussen biogeïnduceerde en biogecontroleerde minerale neerslag?

VolgensDupraz et al. (2009)Deze twee soorten biomineralisatie worden onderscheiden op basis van de prevalentie van twee soorten factoren: intrinsiek of gerelateerd aan microbieel of cellulair metabolisme (bijvoorbeeld: fotosynthese, ademhaling en botvorming) en extrinsiek of gerelateerd aan de omgeving (bijvoorbeeld: uitdroging en afbraak). . Als de eerste factoren de overhand hebben op de tweede, hebben we het over gecontroleerde biomineralisatie, dat wil zeggen dat het metabolisme van bacteriën, sommige autotrofe eukaryoten (zoals diatomeeën) en heterotrofen de promotor is van minerale kiemvorming en de daaropvolgende kristallijne groei. Voor het grote publiek zijn enkele voorbeelden van heldere biomineralen die dicht bij onze ervaring liggen en het resultaat zijn van metabolische controle: de schelpen van ongewervelde dieren zoals buikpotigen, samengesteld uit calciumcarbonaat (aragoniet of calciet), de frustules van diatomeeën (bestaande uit opaal) of de botten van gewervelde dieren, samengesteld uit calciumfosfaat (apatiet). Het is duidelijk dat deze biomineralen een fysiologische functie hebben voor het organisme dat ze produceert (beschermend of structureel), die de groei of het oplossen van deze kristallen reguleert (bijvoorbeeld: onze botten).

Veel andere extracellulaire minerale precipitaten kunnen in feite worden beschouwd als producten van bio-geïnduceerde mineralisatie. Wat is het verschil met de vorige?

Extracellulaire polymere stoffen (EPS) zijn het resultaat van interacties tussen micro-organismen en hun omgeving.(Decho, 1990).EPS wordt in grote hoeveelheden geproduceerd in microbiële matten die zijn ontwikkeld als reactie op extreme omstandigheden op het gebied van zoutgehalte, pH en temperatuur en die de productie ervan controleren.(Dupraz en Visscher, 2005).Als, op basis van de chemische elementen die verbonden zijn met de functionele groepen van de celwanden of in de extracellulaire polymere stoffen, bepaalde extrinsieke processen, zoals de uitdroging of afbraak van andere micro-organismen, de triggers zijn van minerale kiemvorming, dan zullen we bio-geïnduceerde processen analyseren mineralen.. Dit is het geval voor veel mineralen in een meeromgeving (carbonaten, sulfaten en sommige kleimineralen), waar verdamping kristallisatie teweegbrengt in deze organische stoffen die in contact komen met de pekel.(Cabestrero en Sanz-Montero, 2018; del Buey et al., 2018, 2021).

Vanwege de complexiteit van het vaststellen van een duidelijke grens tussen intrinsieke of extrinsieke factoren in termen van extracellulaire neerslag, hebben we microbiële culturen ontworpen om de variabelen die betrokken zijn bij sedimentaire omgevingen te beperken. Deze microbiële culturen kunnen afkomstig zijn van een hele microbiële gemeenschap of van een geïsoleerd geslacht of soort. Deze laatste zijn bedoeld om een ​​bepaald metabolisme bij minerale neerslag te evalueren (zuurstof-, anoxygene fotosynthese, sulfaatreductie). Als we de samenstelling van het kweekmedium kennen en de variabelen licht/donker, temperatuur en zoutgehalte hebben gecontroleerd, kunnen we nauwkeurig het biomineralisatiemechanisme voor een bepaald mineraal en een bepaalde bacteriesoort bepalen.(Sánchez-Román et al., 2007, 2008, 2011).

Hoe bestuderen we de textuurrelaties tussen mineralen en micro-organismen? Hoe kunnen we micro-organismen identificeren?

Bij het bestuderen van monsters met een variabel aandeel biologische weefsels met verschillende mate van mineralisatie vereist de geobiologie dat monstervoorbereiding meer verband houdt met histologie of microbiologie dan met mineralogie. Integendeel, röntgendiffractie blijft de basistechniek voor mineralogische bepaling in dit soort monsters, aangezien mineralen het ultieme onderzoeksdoel zijn. Niet minder belangrijk is scanning-elektronenmicroscopie (SEM), waarmee we textuur- en chemische kenmerken tussen celwanden en mineralen kunnen herkennen. Voor een studie van meer details en resolutie maakt transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) het mogelijk om textuurrelaties op nm-schaal te bestuderen. De voorbereiding van dit soort monsters, zowel natuurlijk als gekweekt, voor elektronenmicroscopie vereist een voorafgaande fixatie- (glutaaraldehyde) en dehydratatie- (ethanol) procedure. In het geval van transmissie-elektronenmicroscopie, terwijl elektronen door het monster gaan, door ultramicrotoom in ultradunne secties gesneden, worden vlekken met zware elementen (Os, Pb en U) gebruikt, die het contrast mogelijk maken tussen de organische materie (vast en zichtbaar) en mineraal (ondoorzichtig).

Tegelijkertijd vereist het identificeren van de taxonomie van de groepen die deel uitmaken van een microbieel tapijtwerk uit het veld of uit een kweekmedium analyses op basis van het gen dat codeert voor het 16S-ribosomale RNA. Met behulp van operationele taxonomische eenheden (OTU’s) worden sequenties met een homologie van meer dan 97% gegroepeerd en vergeleken met specifieke databases voor microbiële matten. Als alternatief kan FISH (Fluorescentie In Situ Hybridisatie) worden gebruikt, waarmee, via een reeks fluorescentie-actieve oligonucleotidesequenties die binden aan het rRNA van levende cellen, de bacteriële fyla kan worden geïdentificeerd die aanwezig is in microbiële matten.(Cabestrero et al., 2018).

En dit alles, waarom bestuderen we het?

In de geologie passen we het principe van actualisme toe (sorry, we hebben geen eigen wetten…). Wat vertelt het ons dat alle geologische processen die we vandaag de dag zien, ook in het verleden van de aarde hebben plaatsgevonden. Dat staat ons toe? In staat zijn om de geologische gegevens (gesteenten) te interpreteren op basis van de processen die we vandaag de dag zien. Bovendien, als we de interacties tussen levende wezens en de geosfeer in het heden kunnen bestuderen, zullen onze conclusies uit de biotische markers die in de rotsen bewaard zijn gebleven, nauwkeuriger zijn. Waar kunnen we naartoe? We kunnen teruggaan in het geologische verleden van de aarde naar de oudste manifestaties van microbieel leven: stromatolieten (2.700 miljoen jaar geleden), gelamineerde en verharde microbiële gemeenschappen. En verder de ruimte in? De studie van biomineralen kan zelfs de reikwijdte van andere planeten overstijgen, zoals Mars, waar de associatie van kleimineralen met carbonaten(Morris et al., 2010)en sulfaten(Ehlmann et al., 2011)Het is gedetecteerd door middel van spectrale analyse in sommige delen van de rode planeet.

Referenties:

Cabestrero, O. en Sanz-Montero, ME, 2018. Pekelevolutie in twee verdampingsomgevingen in het binnenland: invloed van microbiële matten op minerale neerslag. J. Paleolimnol. 59 (2), 139-157.

Cabestrero, Ó., Sanz-Montero, ME, Arregui, L., Serrano, S., Visscher, PT, 2018. Seizoensgebonden variabiliteit van mineraalvorming in microbiële matten onderworpen aan droog- en bevochtigingscycli in alkalische en hyperzoute sedimentaire omgevingen. Aquat. Geochem. 24 (1), 79-105.

Decho, AW, 1990. Microbiële exopolymere afscheidingen in oceanenomgevingen: hun rol(len) in voedselwebben en mariene processen. Jaar. Ds. Oceanogr. Bioscoop van maart 28, 73-154.

Del Buey, P., Cabestrero, Ó., Arroyo, X., Sanz-Montero, ME, 2018. Microbieel geïnduceerde palygroskiet-sepioliet authigenese in moderne hypersaline meren (Centraal-Spanje). Clay-app. Wetenschap 160, 9-21.

Del Buey, P., Sanz-Montero, ME, Braissant, O., Cabestrero, Ó. Visscher, PT, 2021. De rol van microbiële extracellulaire polymere stoffen bij de vorming van sulfaatmineralen en vezelachtige Mg-klei. Chem.Geol. 581, 120403.

Dupraz, C. en Visscher, P.T., 2005. Microbiële lithificatie in mariene stromatolieten en hypersalinematten. Trends. Microbiol. 13, 429-438.

Dupraz, C., Reid, RP, Braissant, O., Decho, AW, Norman, RS, Vissher, PT, 2009. Processen van carbonaatprecipitatie in moderne microbiële matten. Earth Sci., Rev. 96, 141-162.

Ehlmann, JF, Mustard, JF, Murchie, SL, Bibring, JP, Meunier, A., Fraeman, AA, Langevin, Yves., 2011. Vorming van ondergronds water en kleimineralen tijdens de vroege geschiedenis van Mars. Natuur, 479, 53-60.

Morris RV, Ruff S., Gellert R., Ming DW, Arvidson RE, Clark BC, Golden DC, Siebach K., Klingelhöfer G., Scröder C., Fleischer I., Yen AS, Squyres SW, 2010. Identificatie van carbonaat -rijke ontsluitingen op Mars door de Spirit Rober. Wetenschap, 329, 421-424.

Sánchez-Román, M., Rivadeneyra, M.Á., Vasconcelos, C. en Mckenzie, JA, 2007. Biomineralisatie van carbonaat en fosfaat door matig halofiele bacteriën. FEMS Microbiol. Ecol. 61, 273-284.

Sánchez-Román, M., Vasconcelos, C., Schmid, T., Dittrich, M. en McKenxie, JA, 2008. Aërobe microbiële dolomiet op nanometerschaal: implicatie voor het geologische record. Geologie 36, 879-882.

Sánchez-Román, M., Romanek, CS, Fernández-Remolar, DC, Sánchez-Navas, A., McKenzie, JA, Amils Pibernat, R. en Vasconcelos, C., 2011. Aërobe biomineralisatie van Mg-rijke koolhydraten: implicaties voor natuurlijke omgevingen. Chem.Geol. 281, 143-150

Kun je ons helpen om meer te worden? Word lid en doe mee. Zeg het voort op de netwerken. Neem contact met ons op en vertel ons over uzelf en uw project.