TY - THES A1 - Schirmack, Janosch T1 - Activity of methanogenic archaea under simulated Mars analog conditions T1 - Aktivität methanogener Archaeen unter simulierten Marsanalogen Bedingungen N2 - Assumed comparable environmental conditions of early Mars and early Earth in 3.7 Ga ago – at a time when first fossil records of life on Earth could be found – suggest the possibility of life emerging on both planets in parallel. As conditions changed, the hypothetical life on Mars either became extinct or was able to adapt and might still exist in biological niches. The controversial discussed detection of methane on Mars led to the assumption, that it must have a recent origin – either abiotic through active volcanism or chemical processes, or through biogenic production. Spatial and seasonal variations in the detected methane concentrations and correlations between the presence of water vapor and geological features such as subsurface hydrogen, which are occurring together with locally increased detected concentrations of methane, gave fuel to the hypothesis of a possible biological source of the methane on Mars. Therefore the phylogenetically old methanogenic archaea, which have evolved under early Earth conditions, are often used as model-organisms in astrobiological studies to investigate the potential of life to exist in possible extraterrestrial habitats on our neighboring planet. In this thesis methanogenic archaea originating from two extreme environments on Earth were investigated to test their ability to be active under simulated Mars analog conditions. These extreme environments – the Siberian permafrost-affected soil and the chemoautotrophically based terrestrial ecosystem of Movile cave, Romania – are regarded as analogs for possible Martian (subsurface) habitats. Two novel species of methanogenic archaea isolated from these environments were described within the frame of this thesis. It could be shown that concentrations up to 1 wt% of Mars regolith analogs added to the growth media had a positive influence on the methane production rates of the tested methanogenic archaea, whereas higher concentrations resulted in decreasing rates. Nevertheless it was possible for the organisms to metabolize when incubated on water-saturated soil matrixes made of Mars regolith analogs without any additional nutrients. Long-term desiccation resistance of more than 400 days was proven with reincubation and indirect counting of viable cells through a combined treatment with propidium monoazide (to inactivate DNA of destroyed cells) and quantitative PCR. Phyllosilicate rich regolith analogs seem to be the best soil mixtures for the tested methanogenic archaea to be active under Mars analog conditions. Furthermore, in a simulation chamber experiment the activity of the permafrost methanogen strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 under Mars subsurface analog conditions could be proven. Through real-time wavelength modulation spectroscopy measurements the increase in the methane concentration at temperatures down to -5 °C could be detected. The results presented in this thesis contribute to the understanding of the activity potential of methanogenic archaea under Mars analog conditions and therefore provide insights to the possible habitability of present-day Mars (near) subsurface environments. Thus, it contributes also to the data interpretation of future life detection missions on that planet. For example the ExoMars mission of the European Space Agency (ESA) and Roscosmos which is planned to be launched in 2018 and is aiming to drill in the Martian subsurface. N2 - Die Vermutung vergleichbarer Umweltbedingungen des frühen Mars und der frühen Erde vor 3,7 Mrd. Jahren – der Zeitpunkt, zu dem die ersten fossilen Spuren des Lebens auf der Erde gefunden werden konnten – weisen auf die Möglichkeit hin, dass das Leben auf beiden Planeten parallel entstanden sein könnte. Als die Bedingungen auf dem Mars schlechter wurden, ist das hypothetische Leben dort entweder ausgestorben, oder es war in der Lage sich anzupassen und könnte noch heute in biologischen Nischen auf dem Planeten existieren. Die kontrovers diskutierte Detektion von Methan auf dem Mars führte zu der Annahme, dass dieses einen rezenten Ursprung haben muss – entweder abiotisch durch aktiven Vulkanismus oder chemische Prozesse oder aber durch biogene Produktion. Räumliche und saisonale Schwankungen der durch Fernerkundung gemessenen Methankonzentrationen, sowie die Korrelation zwischen dem Auftreten von Wasserdampf und im Untergrund detektiertem Wasserstoff zusammen mit lokal erhöhten Konzentrationen von Methan, befürworten die Hypothese einer biologischen Methanquelle auf dem Mars. Daher werden methanogene Archaeen, welche sich unter den Bedingungen der frühen Erde entwickelt haben, oft als Modellorganismen in astrobiologischen Studien zu potentiellem Leben auf unserem benachbarten Planeten Mars verwendet. In dieser Dissertation wurden methanogene Archaeen aus zwei extremen Habitaten auf der Erde auf ihre Fähigkeiten hin untersucht, unter simulierten Mars-analogen Bedingungen aktiven Metabolismus zu zeigen. Die beiden extremen Habitate – der active layer des sibirischen Permafrosts und das auf Chemoautotrophie basierende terrestrische Ökosystem der Movile Höhle in Rumänien – gelten als Analoga für mögliche Habitate auf dem Mars. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Arten von methanogenen Archaeen beschrieben, die aus den beiden genannten extremen Habitaten isoliert worden sind. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass Mars-Regolith-Analoga, in Konzentrationen bis zu 1 Gew.-% zum Wachstumsmedium hinzugefügt, einen positiven Einfluss auf die Methanbildungsraten der getesteten Archaeen hatten, während höhere zugefügte Konzentrationen sinkende Raten verursachten. Dennoch war es den Organismen möglich, auf wassergesättigten künstlichen Böden aus Mars-Regolith-Analoga Methan zu produzieren, auch ohne Zugabe jeglicher weiterer Nährstoffe. Die Resistenz gegenüber Langzeit-Austrocknung von mehr als 400 Tagen wurde mittels Reinkubation sowie indirekter Zellzahlbestimmung von lebensfähigen Zellen nachgewiesen. Dies erfolgte durch eine Kombinationsbehandlung mit Propidium-Monoazide (zur Inaktivierung der DNA aus Zellen mit zerstörter Membran) und quantitativer PCR. Regolith-Analoga mit einem hohen Anteil an Phyllosilikaten schienen die besten Bodenmischungen für die metabolische Aktivität der getesteten methanogenen Archaeen unter Marsanalogen Bedingungen zu liefern. Des Weiteren konnte mittels einer Simulationskammer für den Permafrost-Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 Methanbildung unter Bedingungen analog zum Marsuntergrund nachgewiesen werden. Durch Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie konnte die Zunahme der Methankonzentration bei Temperaturen bis zu -5 °C gemessen werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erweitern das Verständnis des Potenzials der methanogenen Archaeen, unter Mars-analogen Bedingungen aktiv sein zu können und vermitteln Einblicke in die mögliche Habitabilität vom heutigen Marsuntergrund. Außerdem tragen sie zur Interpretation der Daten von zukünftigen Marsmissionen zur Erkundung von möglichem Leben auf dem Planeten bei. Ein Beispiel hierfür könnte die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und Roskosmos sein, welche im Jahr 2018 gestartet werden soll und bestrebt ist, in den Marsuntergrund zu bohren. KW - methanogenic archaea KW - Mars KW - simulation experiments KW - long-term desiccation KW - Martian regolith analogs KW - methanogene Archaeen KW - Mars KW - Marsanaloge Regolithe KW - Simulationsexperimente KW - Langzeitaustrocknung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73010 ER - TY - THES A1 - Serrano, Paloma T1 - Methanogens from Siberian permafrost as models for life on Mars : response to simulated martian conditions and biosignature characterization T1 - Methanogene Archaeen aus sibirischen Permafrost als Modelle für Leben auf dem Mars N2 - Mars is one of the best candidates among planetary bodies for supporting life. The presence of water in the form of ice and atmospheric vapour together with the availability of biogenic elements and energy are indicators of the possibility of hosting life as we know it. The occurrence of permanently frozen ground – permafrost, is a common phenomenon on Mars and it shows multiple morphological analogies with terrestrial permafrost. Despite the extreme inhospitable conditions, highly diverse microbial communities inhabit terrestrial permafrost in large numbers. Among these are methanogenic archaea, which are anaerobic chemotrophic microorganisms that meet many of the metabolic and physiological requirements for survival on the martian subsurface. Moreover, methanogens from Siberian permafrost are extremely resistant against different types of physiological stresses as well as simulated martian thermo-physical and subsurface conditions, making them promising model organisms for potential life on Mars. The main aims of this investigation are to assess the survival of methanogenic archaea under Mars conditions, focusing on methanogens from Siberian permafrost, and to characterize their biosignatures by means of Raman spectroscopy, a powerful technology for microbial identification that will be used in the ExoMars mission. For this purpose, methanogens from Siberian permafrost and non-permafrost habitats were subjected to simulated martian desiccation by exposure to an ultra-low subfreezing temperature (-80ºC) and to Mars regolith (S-MRS and P-MRS) and atmospheric analogues. They were also exposed to different concentrations of perchlorate, a strong oxidant found in martian soils. Moreover, the biosignatures of methanogens were characterized at the single-cell level using confocal Raman microspectroscopy (CRM). The results showed survival and methane production in all methanogenic strains under simulated martian desiccation. After exposure to subfreezing temperatures, Siberian permafrost strains had a faster metabolic recovery, whereas the membranes of non-permafrost methanogens remained intact to a greater extent. The strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 from Siberian permafrost showed significantly higher methane production rates than all other strains after the exposure to martian soil and atmospheric analogues, and all strains survived the presence of perchlorate at the concentration on Mars. Furthermore, CRM analyses revealed remarkable differences in the overall chemical composition of permafrost and non-permafrost strains of methanogens, regardless of their phylogenetic relationship. The convergence of the chemical composition in non-sister permafrost strains may be the consequence of adaptations to the environment, and could explain their greater resistance compared to the non-permafrost strains. As part of this study, Raman spectroscopy was evaluated as an analytical technique for remote detection of methanogens embedded in a mineral matrix. This thesis contributes to the understanding of the survival limits of methanogenic archaea under simulated martian conditions to further assess the hypothetical existence of life similar to methanogens on the martian subsurface. In addition, the overall chemical composition of methanogens was characterized for the first time by means of confocal Raman microspectroscopy, with potential implications for astrobiological research. N2 - Der Mars ist unter allen Planeten derjenige, der aufgrund verschiedener Faktoren am wahrscheinlichsten Leben ermöglichen kann. Das Vorhandensein von Wasser in Form von Eis und atmosphärischem Dampf zusammen mit der Verfügbarkeit biogener Elemente sowie Energie sind Indikatoren für die Möglichkeit, Leben, wie wir es kennen, zu beherbergen. Das Auftreten von dauerhaft gefrorenen Böden, oder auch Permafrost, ist ein verbreitetes Phänomen auf dem Mars. Dabei zeigen sich vielfältige morphologische Analogien zum terrestrischen Permafrost. Permafrostgebiete auf der Erde, welche trotz extremer, Bedingungen durch eine große Zahl und Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften besiedelt sind, sind hinsichtlich möglicher Habitate auf dem Mars die vielversprechendste Analogie. Die meisten methanogenen Archaeen sind anaerobe, chemolithotrophe Mikroorganismen, die auf der Marsoberfläche viele der metabolischen und physiologischen Erfordernisse zum Überleben vorfinden. Methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sind zudem extrem resistent gegenüber unterschiedlichen Formen von physiologischem Stress sowie simulierten thermo-physikalischen Marsbedingungen. Die Hauptziele dieser Untersuchung bestehen darin, das Überleben der methanogenen Archaeen unter Marsbedingungen zu beurteilen, wobei der Fokus auf methanogenen Archaeen aus dem sibirischen Permafrost liegt, sowie deren Biosignaturen mit Hilfe der Raman-Spektroskopie zu charakterisieren, einer starken Technologie zur mikrobiellen Identifikation, welche bei der ExoMars-Mission zum Einsatz kommen wird. Zu diesem Zweck wurden methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sowie aus Nicht-Permafrost-Habitaten in Simulationen Marsbedingungen ausgesetzt, wie Austrocknung durch Langzeitversuche bei ultraniedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (-80ºC), Mars-analogen Mineralien (S-MRS und P-MRS) sowie einer Marsatmosphäre. Weiterhin wurden die Kulturen verschiedenen Konzentrationen von Magnesiumperchlorat, einem starken Oxidant, der im Marsboden nachgewiesenen wurde, ausgesetzt. Ferner wurden die Biosignaturen einzelner Zellen der methanogenen Archaeen mit Hilfe der konfokalen Raman-Mikrospektroskopie (CRM) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten für alle untersuchten methanogenen Stämme Überleben und Methanbildung, nachdem diese simulierten Austrocknungsbedingungen ausgesetzt worden waren. Nach Versuchen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zeigten die Stämme aus dem sibirischen Permafrost eine schnellere Wiederaufnahme der Stoffwechseltätigkeit, wohingegen bei den Referenzorganismen aus Nicht-Permafrost-Habitaten die Zell¬membranen im größeren Ausmaß intakt blieben. Der Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 aus dem sibirischen Permafrost zeigte nach dem Belastungstest mit Marsboden und Mars-analoger Atmosphäre signifikant höhere Methanbildungsraten. Zudem überlebten alle untersuchten Stämme die Zugabe von Magnesiumperchlorat in der entsprechenden Konzentration, die auf dem Mars vorkommt. Weiterhin konnten durch die Raman-Spektroskopie beachtliche Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung zwischen methanogenen Archaeen aus Permafrost- und Nicht-Permafrost-Habitaten, trotz ihrer phylogenetischen Verwandtschaft, ermittelt werden. Die Konvergenz der chemischen Zusammensetzung der Permafrost-Stämme könnte das Resultat ihrer Anpassung an die Umgebung sein, was auch die Unterschiede hinsichtlich ihrer Resistenz verglichen mit Nicht-Permafrost-Stämmen erklären könnte. Als Teil dieser Studie wurde die Raman-Spektroskopie als Analyse-Technik zur Ferndetektion von methanogenen Archaeen, welche in eine Mineral-Matrix eingebettet sind, evaluiert. Diese Dissertation trägt zu einem besseren Verständnis hinsichtlich der Grenzen für ein Überleben von methanogenen Archaeen unter simulierten Marsbedingungen bei und damit zu einer Beurteilung der Hypothese, ob es ähnliches Leben unter der Marsoberfläche geben könnte. Darüber hinaus wurde erstmalig die chemische Zusammensetzung von methanogenen Archaeen mit Hilfe der Raman-Mikrospektroskopie charakterisiert. Dieser Technologie kommt eine wesentliche Bedeutung für weitere Forschungstätigkeit in der Astrobiologie zu. KW - Methanogene Archaeen KW - sibirischen Permafrost KW - Mars KW - Raman Spektroskopie KW - Biosignaturen KW - methanogenic archaea KW - Siberian permafrost KW - Mars KW - Raman spectroscopy KW - biosignatures Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72299 ER -