Nieuwigheden uit de aardgeschiedenis: Hoe zuurstofproducerende cyanobacteriën ons leven mogelijk hebben gemaakt

Achim Herrmann onderzoekt de verspreiding van de vroege cyanobacteriën. (Foto: Koziel/TUK)

Achim Herrmann promoveert bij Michelle Gehringer op het gebied van Geomicrobiologie. (Foto: Koziel/TUK)

2,43 miljard jaar geleden begon de „Grote Zuurstofkatastrofe“ (GOE of „Great Oxygenation Event“): De aardatmosfeer raakte geleidelijk verrijkt met zuurstof, een bijproduct van fotosynthese. Volgens de wetenschap waren de veroorzakers cyanobacteriën die fotosynthese uitvoerden. Maar waarom kwam het zo laat tot deze zo belangrijke ommekeer? Cyanobacterieel leven bestond, zoals gesteentemonsters aantonen, al minstens 300 miljoen jaar vóór de GOE. Achim Herrmann, die in zijn proefschrift aan de TU Kaiserslautern de verspreiding van de vroege cyanobacteriën onderzoekt, is op zoek naar antwoorden. Zijn actuele onderzoeksartikel is nu verschenen in het vakblad Nature Communications.

„Er zijn veel wetenschappelijke theorieën die elkaar aanvullen en verklaren waarom de verspreiding van cyanobacteriën, die nodig was voor de GOE of de zuurstofkatastrofe, zich zo lang heeft vertraagd“, legt Herrmann uit, die promoveerde bij Michelle Gehringer op het gebied van geomicrobiologie. „ Bijvoorbeeld dat ze in zoet water konden ontstaan, dat destijds zoals nu slechts een klein deel van het aardoppervlak uitmaakte. Pas toen ze zich aanpaste aan zoutere wateren en uiteindelijk in de open oceaan thuis werden, konden ze voldoende biomassa vormen om een wereldwijde verandering in de aardatmosfeer teweeg te brengen.“ Een andere theorie stelt dat het ijzerrijke zeewater aanvankelijk giftig kon zijn voor de bacteriën die fotosynthese uitvoerden. IJzer had zich in het toenmalige anoxische geologische tijdperk „Archeüm“ vooral verzameld in de vorm van goed oplosbare, gereduceerde ijzer(II)-ionen in de oceaan.

Herrmann sloeg bij zijn onderzoek een brug naar de ijzervergiftigingshypothese. „We wilden nagaan of ijzer(II) niet alleen moderne, maar ook meer primitieve stammen van mariene oorsprong, concreet Pseudanabaena sp. PCC7367 en Synechococcus sp. PCC7336, hun groei en fotosynthesevermogen remt“, aldus de bioloog.

Het bleek snel hoe cruciaal de opzet van het experiment is. In het al gevestigde systeem – waarin de bacteriën in afgesloten glazen flessen worden gekweekt – ontwikkelden ze zich in principe slecht: „De biologische activiteit was bij beide stammen zeer laag, bij Synechococcus zelfs bijna volledig onderdrukt“, aldus de bioloog. De oplossing: „Een door de metaalwerkplaats van de TU Kaiserslautern speciaal gemaakte anaerobe werkplek, waarin de samenstelling van de atmosfeer automatisch kan worden geregeld“, zegt de bioloog. „Daarin hebben we de cyanobacteriën gekweekt in grote laboratoriumbussen met gasdoorlatende deksels, om gasuitwisseling mogelijk te maken. De door hen geproduceerde zuurstof werd regelmatig uit het systeem verwijderd, terwijl kooldioxide in lage concentratie constant werd gehouden. Zo konden we een vlakke mariene zuurstofoase realiseren, zoals die wordt gesuggereerd door gesteentemonsters uit het Archeüm.“

Zoals verwacht bleek dat de cyanobacteriën zich in de meer natuurlijke omgeving „beter voelden“. Maar wat gebeurde er bij eenmalige toevoeging van ijzer in toenemende concentraties? De bacteriën van de Pseudanabaena-stam groeiden over het algemeen goed – zij het langzamer dan in het parallel lopende controle systeem. Bij de bacteriën van de Synechococcus-stam was duidelijk te zien dat de snelheid van celdeling afnam naarmate de ijzerconcentratie toenam. Een andere bevinding was dat de geproduceerde zuurstof vooral de opgeloste Fe(II)-ionen oxideerde in plaats van in de atmosfeer te ontsnappen. En de zuurstofproductie van de stammen bereikte in de anoxische experimentele omgeving aanzienlijk hogere waarden dan in een controleopstelling met oxische atmosfeer, zoals we die tegenwoordig kennen.

Daarnaast was in dit systeem slechts de vorming van zogenaamd „groen roest“ zichtbaar, een mengvorm van Fe(II) en al geoxideerd Fe(III). De vorming van groen roest ging gepaard met een sterke afname van de biologische activiteit, vermoedelijk doordat de cellen met ijzeroxiden werden verstikt. Tijdens het Archeüm zou de vorming van dergelijk groen roest een belangrijke rol hebben gespeeld bij de vorming van bandijzererts, dat tegenwoordig de belangrijkste bron is van ruwijzererts.

Ten slotte wijzigde Herrmann opnieuw het experiment en paste de ijzertoevoer aan een gesimuleerde getijdencyclus aan. De toevoeging gebeurde aanvankelijk regelmatig aan het begin van de nacht, wanneer de zuurstofconcentratie zonder fotosynthetische activiteit in het medium naar nul daalde. Daarna vertraagde de groei bij beide stammen aanzienlijk, maar kwam nooit volledig tot stilstand. Dit liet zien dat een zuurstofoase uit het Archeüm mogelijk ook de instroom van ijzerrijk water tijdens de nacht heeft getolereerd. Ook hier ontstond de vorming van groen roest, dat echter snel verder werd geoxideerd en zo geen volledige stilstand van de groei veroorzaakte.

Al met al heeft Herrmann met zijn onderzoek verdere hiaten in de puzzel van de aardgeschiedenis opgevuld. Hij kon voor beide cyanobacteriëstammen laten zien hoe de ijzercyclus in een archeologische zuurstofoase mogelijk heeft plaatsgevonden en dat, vanwege de hogere zuurstofproductie, waarschijnlijk minder beboste gebieden nodig waren voor het ontstaan van de GOE. Daarnaast ontwikkelde hij een concept voor de kweek van cyanobacteriën dat de leefomstandigheden in het Archeüm beter nabootst.

„Ik hoop dat ik met mijn onderzoeksartikel kan bijdragen aan een beter begrip van hoe onze zuurstofrijke atmosfeer zich überhaupt heeft kunnen ontwikkelen“, sluit de bioloog af.

Informatie over het gepubliceerde onderzoeksartikel:
Herrmann A.J., Sorwat J., Byrne J.M., Frankenberg-Dinkel, N. en Gehringer M.M.
„Diurnale Fe(II)/Fe(III)-cyclus en verhoogde O2-productie in een gesimuleerde Archeïsche mariene zuurstofoase“
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22258-1
DOI: 10.1038/s41467-021-22258-1

Vragen beantwoord door:
Achim Herrmann
E-mail: a_herrma@rhrk.uni-kl.de
Tel.: (0)631 205-2199