Bakterien im Urozean lagerten Eisenerz ab

Lange Zeit war unklar, wie die gewaltigen gebänderten Eisenerze Südafrikas und Australiens entstanden sind. Doch jetzt haben Tübinger Forscher herausgefunden, dass eisenoxidierende Bakterien im Urozean eine Schlüsselrolle für ihre Bildung gespielt haben müssen. Die Mikroben konnten das Eisen sogar trotz fehlendem Sauerstoff oxidieren, wie die Forscher in Nature Geoscience berichten.

Vor allem in Südafrika und Australien gibt es mächtige, zwei bis 3,4 Milliarden Jahre alte geologische Formationen aus Eisenoxid und Siliziumdioxid. Manche von diesen sogenannten gebänderten Eisenformationen (englisch: Banded Iron Formations, BIFs) enthalten viele Milliarden Tonnen Eisenoxid und haben eine Ausdehnung von 100.000 Quadratkilometern. Diese Eisenerze decken nicht nur einen Großteil des Weltbedarfs an Eisen, sondern sind auch von besonderem Interesse für die Wissenschaft. Denn sie geben Aufschluss über die Entwicklung der Atmosphäre und des Klimas sowie der Evolution von Mikroorganismen in der frühen Erdgeschichte. Wie die Ablagerungen mit den auffälligen Bänderungen entstanden sind, war bislang jedoch unbekannt.

Rätsel der Eisenbänder

Doch die Geomikrobiologen Nicole R. Posth und Florian Hegler von der Universität Tübingen unter der Leitung von Professor Andreas Kappler fügten jetzt der Entstehungsgeschichte ein wichtiges Puzzleteil hinzu. Sie haben erstmals eine plausible Erklärung gefunden, auf welche Weise Mikroorganismen an der Bildung der Eisenerze beteiligt waren und wie sie auch zur Ablagerung der immer im Wechsel mit dem Eisen auftretenden Siliziumdioxid-Schichten beigetragen haben. Die Forschungsergebnisse wurden von der Fachzeitschrift Nature Geoscience online veröffentlicht.

Das Eisen im Urozean stammte aus heißen Quellen am Ozeanboden und war als reduziertes, zweiwertiges Eisen im Wasser gelöst. Der Großteil des Eisens in den heutigen BIFs liegt jedoch als oxidiertes, dreiwertiges Eisen vor. Demnach muss das zweiwertige Eisen zur Ablagerung oxidiert worden sein. Im klassischen Modell zur Entstehung der BIFs wurde angenommen, dass die Oxidation durch Sauerstoff geschah, den frühe einzellige Lebewesen, die Cyanobakterien, durch ihren Stoffwechsel als Abfallprodukt gebildet hatten.

Eisenoxidation ohne Sauerstoff?

Die Forschung der letzten Jahre hat jedoch gezeigt, dass zu diesem frühen Zeitpunkt in der Erdgeschichte vermutlich nur sehr wenig oder sogar kein Sauerstoff vorhanden war. Es wurde auch bezweifelt, dass es damals überhaupt schon Cyanobakterien gab. Die Bildung der ältesten BIFs kann also nicht durch Sauerstoff geschehen sein. Denn die ältesten bekannten gebänderten Eisenerze stammen bereits aus dem Präkambrium, sie sind bis zu vier Milliarden Jahre alt – das Alter der Erde wird auf 4,5 bis 4,6 Milliarden Jahre geschätzt.

Alternierende Schichten von schwarzen und orangefarbenen Eisen- und Silikatmineralen in 2,5 bis 2,6 Milliarden Jahre alten präkambrischen gebänderten Eisenformationen (Gamohaan Hill, in der Nähe von Kuruman, Northern Cape Province, Südafrika) © Universität Tübingen

Kappler und seine Arbeitsgruppe knüpften bei ihren Forschungen an eine Theorie an, die im Jahre 1969 zum ersten Mal veröffentlicht wurde: Danach sollten die Erze durch eisenoxidierende Bakterien entstanden sein, die zum Leben zwar Licht, aber keinen Sauerstoff benötigten. Allerdings wurden solche anaeroben phototrophen eisenoxidierenden Bakterien erst 1993 in der Natur entdeckt und konnten dann im Labor gezüchtet und untersucht werden. Mit Hilfe von Lichtenergie oxidieren sie zweiwertiges Eisen und setzen es zu dreiwertigem Eisen um – eben zu solchen rostigen Mineralen, wie sie in den BIFs enthalten sind.

Temperaturabhängige Bakterienaktivität erklärt Bänderung

Die Tübinger Geomikrobiologen entdeckten nun, dass die Ausfällung von Eisen- und Silikatmaterialien in den BIFs natürlichen Temperaturschwankungen unterlag. Die Abhängigkeit von der Temperatur würde auch die bisher unerklärte alternierende Bänderung der Gesteinsformationen erklären: Die Eisenbakterien oxidieren zweiwertiges Eisen nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches.

Wenn die Temperatur sinkt, werden weniger Eisenoxide gebildet. Im Gegenzug fällt in einer chemischen Reaktion das im Wasser gelöste Siliziumdioxid in Form von festem Silikat aus. Steigt die Temperatur erneut, werden die Eisenbakterien wieder aktiv und lagern die nächste Schicht Eisenminerale ab – und so weiter. Dadurch lässt sich die typische Wechsellagerung von Eisenoxid-

und Silikatmineralien erklären.

Blick in die Urzeit

Durch ihre Arbeiten können die Tübinger Wissenschaftler nicht nur erstmals erklären, wie Mikroorganismen an der Bildung der Bänderung der BIFs beteiligt sind. Die Forschungsergebnisse geben auch weitere Hinweise darauf, dass zu dieser frühen Zeit auf der Erde sauerstoffbildende Bakterien wie die Cyanobakterien nicht die wichtigste Rolle gespielt haben oder vielleicht noch

gar nicht vorhanden waren.

Damit hätte es auch noch keinen beziehungsweise nur wenig Sauerstoff in der Atmosphäre gegeben. Stattdessen dominierten vor einigen Milliarden Jahren andere Mikroben wie die von den Tübingern untersuchten Eisenbakterien die Ozeane.

(Universität Tübingen, 08.09.2008 – NPO)