Lebensfähigkeit lithobiontischer Mikroorganismen auf Felsen in der Atacama Wüste

Bestimmung der photosynthetischen Aktivität mit VisiSens™

Die hyper-aride, lebensfeindliche Atacama Wüste (Chile) erlaubt es uns, die Möglichkeit für Leben in extraterrestrischen Lebensräumen zu bestimmen. In dieser Studie wurde die Lebensfähigkeit von endolithischen, mikrobiellen Gemeinschaften sowie von zwei verschiedenen epilithischen Flechten untersucht, die in dieser Wüste Felsen kolonisieren. Die Photosyntheseaktivität wurde mit dem Sauerstoff-Bildgebungssystem VisiSens™ überwacht. Die aufgezeichneten Sauerstoffbilder zeigten einen Gleichgewichtszustand in den Sauerstoffkonzentrationen der lithobiontischen, mikrobiellen Gemeinschaften, wenn sie im Licht gehalten wurden. Während einer Dunkelphase wurde die Photosynthese gestoppt und eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration in der Mikroumgebung aller untersuchten Lithobionten konnte nachgewiesen werden. Der Abfall der Sauerstoffkonzentration deutet darauf hin, dass die phototrophen Mikrooragnismen keinen Sauerstoff freisetzen und Pilzzellen viel Sauerstoff verbrauchen.

Die hyper-aride Zone der Atacama Wüste ist wahrscheinlich der trockenste und lebensfeindlichste Ort auf der Erde. Die extreme Trockenheit dieser Wüste macht sie zu einem idealen "Labor", um die Möglichkeit für Leben in extraterrestrischen Lebensräumen, wie etwa der Mars-Oberfläche zu bestimmen. Unsere Ergebnisse der letzten sechs Jahre weisen auf verschiedene Lebensräume in Gesteinen und auf ihrer Oberfläche (Lithobionten) hin, die in der Lage sind, aktive mikrobielle Ökosysteme zu erhalten. Den physiologischen Status und die Lebensfähigkeit dieser mikrobiellen Ökosysteme in ihrem natürlichen Mikrohabitat zu erfassen, hat weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis der mikrobiellen Ökologie dieser hyper-ariden Umgebung. Mehrere Studien haben die Lebensfähigkeit von lithobiontischen Gemeinschaften erforscht. Untersuchungen der Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen sind jedoch zeit- und arbeitsaufwendig und erfordern umfangreiche Laborarbeiten. Die Messung der Stoffwechselaktivität von phototrophen Mikroorganismen ist "per se" herausfordernd. Wenn, wie in unserem Fall, die Mikroorganismen lithobionisch sind, ist diese Aufgabe umso komplexer, da Messungen sowohl in situ als auch in vivo durchgeführt werden müssen, denn fast alle felsenbewohnenden Mikroorganismen lassen sich nicht kultivieren. Ein interessanter Ansatz ist die Untersuchung der PS II Photosyntheseleistung mit PAM-Geräten. Dies gibt uns jedoch nur eine Vorstellung von der relativen Elektronentransportrate im PS II-System der Zellen. Ferner ist diese Variable nicht das Gleiche wie die Photosyntheserate, die leicht aus Veränderungen der Sauerstoffkonzentrationen in der Mikroumgebung des Mikroorganismus abgeleitet werden kann. Ob die Photosynthese gestört ist oder nicht, ist essentiell, da uns das sagen kann, ob diese Mikroorganismen tatsächlich "lebendig und gesund" sind.

Untersuchte Mikroorganismen

Für diese Studie haben wir zwei kürzlich entdeckte lithobiontische mikrobielle Ökosysteme ausgewählt, die in der hyper-ariden Zone der Atacama Wüste leben:
1. Eine endolithische mikrobielle Gemeinschaft, die das Innere einer Gips(CaSO₄ x H₂O)-Kruste kolonisiert (Abb. 2 A - B). Diese endolithische Gemeinschaft umfasst phototrophe Algen und Pilzhyphenzellen.
2. Epilithische Flechten, die eine vulkanische Gesteinsoberfläche besiedeln (Abb. 2 B - C). Flechten sind zusammengesetzte Organismen, die aus einem Pilz (dem Mycobionten) und einem photosynthetischen Partner (dem Photobionten) bestehen, die zusammen in einer symbiotischen Beziehung wachsen. Der Photobiont ist normalerweise entweder eine grüne Alge oder ein Cyanobakterium. Der Körper (Thallus) der meisten Flechten unterscheidet sich sowohl von dem des Pilzes als auch dem der Algen, wenn diese getrennt voneinander wachsen. Die Algenzellen (oder Cyanobakterien) sind photosynthetisch. In metabolisch aktiven (vitalen) Algen / Pilz-Assoziationen (wie den hier untersuchten Endolithen) oder Flechtensymbionten nehmen die Phototrophen (Algen) unter Lichtbedingungen Kohlendioxid und Wasser auf und setzen Sauerstoff als Produkt der Photosynthese frei. Umgekehrt verbrauchen im Dunkeln beide Mikroorganismen (Algen und Pilze) Sauerstoff während der Atmung. Durch die Erfassung von Veränderungen der Sauerstoffkonzentration in der Mikroumgebung der Mikroorganismen können wir die Stoffwechselaktivität dieser mikrobiellen Gemeinschaften beurteilen.

Material & Methoden

Die Oberflächen der Gipskruste und des Vulkangesteins wurden unter Verwendung eines Wasseraerosols angefeuchtet und unter Bedingungen von 100 % relativer Feuchtigkeit über Nacht und vier Stunden täglich in indirektem Sonnenlicht belassen. Die endolithischen Mikroorganismen und Fragmente beider Flechten-Thalli wurden vom Gestein getrennt und vorsichtig auf die VisiSens™ Sauerstoff-Sensorfolie (SF-RPSU4, PreSens) gelegt, die mit Hydrogel an das Fenster einer optischen Schale geklebt wurde (Abb. 3 A). Ein paar Tropfen Perfluordecalin (PFD) wurden zu den kleinen Proben gegeben und die Präparate mit Glasdeckgläsern bedeckt. Nachdem ein schwarzer Deckel auf die Schale gelegt wurde, um die Photosynthese zu unterbinden, wurde die Schale mit den Proben sofort auf die VisiSens™ Kamera gelegt, und über 400 Sekunden Sauerstoffbilder (30 Bilder) aufgenommen. Mehrere Wiederholungen des Experiments wurden für endolithische und epilithische Proben durchgeführt.

Photosyntheseaktivität

Die Ergebnisse sind in Abb. 4 gezeigt. Änderungen der Sauerstoffkonzentration wurden durch die Dunkel-Phase induziert. Unter Lichtbedingungen setzen die Photobionten (Algen) der metabolisch aktiven mikrobiellen Ökosysteme (Endolithe und Flechten) Sauerstoff als Produkt der Photosynthese frei, und Pilzzellen verbrauchen einen Teil dieses Sauerstoffs. Unter diesen Bedingungen erreicht das Ökosystem einen Gleichgewichtszustand, entsprechend dem ersten Punkt auf der x-Achse in Abb. 4 B. An diesem Punkt zeigt die Mikroumgebung der Endolithe 64 % Luftsättigung und die der Flechten " Y "und" B " liefern Werte von 75 % bzw. 63 % Luftsättigung. Sobald die Photosynthese gestoppt wurde, fiel die "Netto"-Sauerstoffkonzentration für alle Proben allmählich auf konstante Werte von 55 % Luftsättigung (Endolithe), 50 % Luftsättigung (Flechte "Y") und 38 % Luftsättigung (Flechte "B"). Dieses Absinken der Sauerstoffkonzentration zeigt, dass durch die phototrophen Mikroorganismen kein Sauerstoff freigesetzt wurde während die Pilzzellen sehr viel Sauerstoff verbrauchten.

Zusammenfassung

Wir bestimmten die Lebensfähigkeit von lithobionten, mikrobiellen Ökosystemen in Gesteinen aus der Atacama Wüste mit dem VisiSens™ System. Die Veränderungen in der Sauerstoffkonzentration, die in der Mikroumgebung der Lithobionten beobachtet wurden, sind ein klarer Beweis für ihre photosynthetische und damit metabolische Aktivität. Wir möchten die schnelle in situ und in vivo Bestimmung der Lithobiontenvitalität hervorheben, die durch diese Messmethode möglich ist. Darüber hinaus erfordert diese Technik eine geringe Menge an biologischem Material und kann direkt nach dem Sammeln von lithobiontischen Gemeinschaften im Feld durchgeführt werden.