Mikroben trugen einst dazu bei, in den Tiefen des Urozeans Eisen zu Eisenoxid – Rost – umzuwandeln. Sie legten damit den Grundstein für die gewaltigen Eisenerz-Lagerstätten, die noch heute in vielen Regionen der Erde gefunden werden. Entgegen bisherigen Annahmen waren dabei nicht allein Blaualgen die entscheidenden Akteure. Stattdessen dominierten in den Tiefenzonen der Meere andere Bakterien als Eisenoxidierer, wie ein internationales Forscherteam im Fachmagazin „Nature Communications“ berichtet.
Vor allem in Südafrika und Australien gibt es mächtige, Milliarden Jahre alte geologische Formationen, die zum Großteil aus Eisenoxid bestehen – aus Mineralen wie sie aus der Rostbildung bekannt sind. Diese Eisenerze decken nicht nur einen Großteil des Weltbedarfs an Eisen, die Gesteinsformationen geben auch Hinweise auf die Entwicklung der Atmosphäre und des Klimas sowie der Aktivität von Mikroorganismen in der frühen Erdgeschichte. Inwiefern Bakterien im Urozean einst zur Bildung dieser Eisenablagerungen beigetragen haben, war jedoch bislang unklar.
Andreas Kappler vom Zentrum für angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen und seine Kollegen haben nun konkrete Hinweise darauf gefunden, welche Mikroorganismen an der Bildung der Eisenerze beteiligt waren und woran die verschiedenen mikrobiellen Stoffwechselprozesse an Gesteinen erkennbar sind.
Woher kam der Sauerstoff für die Oxidation?
Das Eisen im Ur-Ozean kam ursprünglich als gelöstes, zweiwertiges Eisen [Fe(II)] aus heißen Quellen auf dem Ozeanboden. Der Großteil des heutigen Eisenerzes liegt aber als oxidiertes, dreiwertiges Eisen [Fe(III)] in Form von „Rostmineralen“ vor ‒ demnach musste das zweiwertige Eisen oxidiert worden sein. Nach gängiger Theorie geschah dies einst durch Cyanobakterien – auch als Blaualgen bekannt. Diese nutzen das Sonnenlicht zur Spaltung von Wasser und setzen dabei Sauerstoff frei, der das Eisen oxidiert.
Unter Wissenschaftlern wird jedoch diskutiert, wann in der Erdatmosphäre überhaupt ausreichend Sauerstoff durch Cyanobakterien gebildet wurde, um solche Eisenformationen zu bilden. Die ältesten bekannten Eisenerze stammen aus dem Präkambrium und sind bis zu vier Milliarden Jahre alt. Zu diesem frühen Zeitpunkt der Erdgeschichte war aber nur sehr wenig bis gar kein Sauerstoff in der Atmosphäre und gelöst im Wasser vorhanden. Die Bildung der ältesten gebänderten Eisenerze kann also nicht durch Sauerstoff erfolgt sein.
Anoxygene Bakterien als Eisenoxidierer
1993 wurden dann erstmals Bakterien gefunden, die keinen Sauerstoff benötigen und mit Hilfe von Licht das zweiwertige Eisen direkt oxidieren. Diese sogenannten anoxygenen phototrophen eisenoxidierenden Bakterien können gelöstes zweiwertiges Eisen in Eisenoxide umwandeln, wie sie in den Eisenerzen enthalten sind. Das hatten die Tübinger Forscher bereits in einer vorhergehenden Studie belegt. Ob aber dieser Proz3ss tatsächlich in der Frühzeit der Erde abgelaufen ist, blieb zunächst unklar.
Um das zu klären, führten die Forscher nun ein weiteres Experiment durch. Sie setzten unterschiedliche Mengen an organischem Material zusammen mit Eisenmineralen hohen Temperaturen und Druck aus, um die Umwandlung der Minerale über die Erdgeschichte hinweg zu simulieren. Dabei entdeckten sie Strukturen von Eisenkarbonat-Mineralen (Siderit, FeCO3), wie sie tatsächlich in Eisenformationen gefunden wurden. Wie sich zeigte, lässt sich anhand der Identität und strukturellen Eigenschaften der resultierenden Eisenminerale feststellen, ob die Eisenformationen mikrobiell durch Eisenoxidierer entstanden oder durch den von Cyanobakterien produzierten Sauerstoff.
Arbeitsteilung im Urmeer
Die Ergebnisse liefern erstmals eindeutige Hinweise auf eine direkte Beteiligung von Mikroorganismen an der Ablagerung der ältesten Eisenformationen. Sie zeigen aber auch, dass in Flachwasserregionen des Urozeans eher große Mengen an Cyanobakterien aktiv waren, während in der lichtdurchdrungenen Tiefwasserzone eher eisenoxidierende Bakterien für die Ablagerung der Eisenformationen verantwortlich waren. (Nature Communications,2013; doi: 10.1038/ncomms2770)
(Eberhard Karls Universität Tübingen, 24.04.2013 – NPO)
