Abstract
Magnesium (Mg) is an important macronutrient for all living cells and is abundant in the environment. At the Earth’s surface its stable isotopes are fractionated by both abiotic (mineral dissolution, primary and secondary mineral formation from solution) and biotic processes (uptake into and translocation through organisms). The objectives of this doctoral thesis were to investigate, in controlled laboratory experiments, the fractionation of Mg stable isotopes during (1) uptake and translocation of Mg into microbes focusing on microbial species, cell physiology, and the dependence on pH; and (2) mineral dissolution under abiotic conditions and in the presence of a fungus. Given that large Mg fluxes pass through biological pools, the fingerprints I identified is useful for Mg cycling studies, and for tracing Mg pathways through ecosystems. To reduce the complexity of natural systems I conducted laboratory batch experiments using unicellular model organisms. Growth experiments showed a pH-dependence of Mg stable isotope fractionation during uptake by the rock-inhabiting microcolonial fungus Knufia petricola. The fungal cell was enriched in heavy Mg isotopes relative to the growth solution, where at pH 6 the 26Mg/24Mg ratio (expressed as δ26Mg) was 0.65 ± 0.10‰ higher than that in the growth solution, and at pH 3 δ26Mg was 1.11 ± 0.34‰ higher. In contrast, the cyanobacterium Nostoc punctiforme incorporated lighter Mg isotopes from the growth solution and the cells’ δ26Mg was -0.27 ± 0.14‰ lower than that of the growth solution. Chlorophyll extracted from the cyanobacterium, however, preferentially incorporated the heavier Mg isotopes, with a δ26Mg value that was 1.85 ± 0.14‰ higher than the growth solution. To explore how Mg metabolic pathways in these organisms set these isotope composition, a mass-balance model was designed. The results can be explained by three fractionation processes and the mass balance associated with them: (1) during uptake, where Mg with a slightly lower 26Mg/24Mg isotope ratio is preferred by cells; (2) during incorporation of a substantial portion (>95%) of intracellular Mg into Mg-bonded compounds (ATP, ribosomes and chlorophyll) where Mg with higher 26Mg/24Mg is preferred; and (3) during efflux and, possibly, additional fractionation of the remaining free Mg that obtains the 26Mg/24Mg isotope ratio complementary to that of the Mg taken up into the bonded compounds. In the fungus K. petricola the efflux rate of free Mg low in 26Mg/24Mg is high; this Mg gets replenished by Mg from the growth solution that is higher in 26Mg/24Mg. The bulk K. petricola cell Mg isotope signature is thus dominated by the isotopically heavy intracellular Mg bonded to compounds like ATP and ribosomes. The pH-dependence on Mg isotope fractionation observed in the fungus K. petricola cells is due to differences in fluxes of Mg entering and leaving the cell. The cyanobacterium N. punctiforme, in contrast, has large intracellular Mg inventories (10 times greater than K. petricola) and partitions almost all Mg entering into the cell into its bonded compounds. Therefore the bulk cell obtains the isotope composition of the Mg that entered the cell. As a result, an inverse relationship arises between cellular Mg concentrations and the bulk cell Mg isotope fractionation. This model explains published field and laboratory measurements of the Mg isotope composition of leaves, roots, bulk plant, fungi and cyanobacteria, which are also characterized by an inverse relationship between Mg concentration and bulk Mg isotope fractionation. I suggest that the model of cellular processes and Mg metabolic pathways thus developed is predictive of Mg isotope fractionation in ecosystems. Once the fractionation by the fungal cells was established, the rates and mechanisms of olivine (Mg,Fe)2(SiO4) dissolution in the presence of the fungus K. petricola were determined in laboratory batch experiments. After 94 days, olivine dissolution rates (1.04 × 10-15 moles cm-2 s-1) at pH 6 in presence of the fungus were seven-fold higher than in the abiotic control. Mg/Si ratios in the supernatant reflected an initial non-stoichiometric phase during which the dissolution rate was higher than the rate in a later stoichiometric phase. The initial non-stoichiometric phase was attributed to rapid exchange of Mg2+ with H+ along with simultaneous polymerization of Si tetrahedra, whereas the stoichiometric phase was attributed to the buildup of a Si-rich amorphous layer that acts to slow dissolution rates. Mg isotopic analysis of the supernatant in both abiotic and biotic experiment showed an enrichment in 24Mg relative to the mineral in the initial non-stoichiometric phase, interpreted to be due to kinetic isotope fractionation, while during the later stoichiometric phase the isotopic composition of the supernatant was similar to that of the dissolving olivine and thus dissolution was isotopically congruent. No difference in the temporal evolution of stoichiometry and isotope ratios was found between the biotic and the abiotic experiments. This similarity indicates that olivine dissolution mechanisms are identical whether fungus is present or not. However, I propose that the fungus accelerates olivine dissolution by (1) attachment of fungal cells to mineral surfaces that acidify the micro-environment of the contact zone by releasing protons; and (2) dissolving Fe(III) precipitates present in the Si-rich amorphous layer through chelation with siderophores excreted by the fungus. The accelerating effect on mineral dissolution by the fungus found in this study not only provides insights into biogenic mineral weathering but is also of relevance to the efficiency “enhanced weathering” employed as means of CO2 sequestration.
Magnesium (Mg) ist ein, für alle lebenden Zellen, wichtiger und in der Natur häufig vorkommender Makronährstoff. Die stabilen Isotope von Mg fraktionieren an der Erdoberfläche sowohl durch abiotische (Mineralauflösung, Bildung primärer und sekundärer Minerale aus Lösungen) als auch durch biotische Prozesse (Aufnahme von Zellen und Translokation). Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es, unter experimentellen und kontrollierten Laborbedingungen, die Fraktionierung stabiler Mg Isotope bei (1) der mikrobiellen Aufnahme von Mg aus einer Wachstumslösung und dessen Translokation unter zellphysiologischen Gesichtspunkten als auch in Bezug auf pH-Wert und mikrobieller Spezies und (2) der Mineralauflösung unter abiotischen Bedingungen und in Gegenwart von Pilzen zu untersuchen. Angesichts der Tatsache, dass große Mengen Mg biologische Kompartimente passieren, ist der isotopische Fingerabdruck, den ich identifizieren konnte, auf ökosystemare Mg-Studien anwendbar. Um die Komplexität natürlicher Systeme zu verringern, führte ich Laborexperimente mit einzelligen Modellorganismen durch. Wachstumsexperimente zeigten, dass die Fraktionierung von Mg-Isotopen während der Aufnahme durch den gesteinsbesiedelnden mikrokolonialen Pilz Knufia petricola vom pH-Wert abhängig ist. Das 26Mg/24Mg Verhältnis (dargestellt als δ26Mg) des Mg in der Pilzzelle war bei pH 6 um 0,65 ± 0,10‰ und bei pH 3 um 1,11 ± 0,34‰ isotopisch schwerer als das Mg der Wachstumslösung. Ein weiteres Wachstumsexperiment mit dem Cyanobakterium Nostoc punctiforme zeigte, dass dieses isotopisch leichtes Mg aufnimmt und die Zelle um -0,27 ± 0,14‰ isotopisch leichter als die Wachstumslösung war. Chlorophyll, das aus der Cyanobakterienzelle extrahiert wurde, war um 1,85 ± 0,14‰ isotopisch schwerer als die Wachstumslösung. Um zu untersuchen, wie Mg-Stoffwechselwege in diesen Organismen die Isotopenfraktionierung beeinflussen, wurde ein Massenbilanzmodell entwickelt. Die Ergebnisse können durch dreierlei Fraktionierungsprozesse und den zugrunde liegenden Massenbilanzen erklärt werden: (1) während der Aufnahme, wobei Mg mit einem tiefen Isotopenverhältnis bevorzugt wird; (2) während des Einbaus eines wesentlichen Teils (> 95%) von intrazellulärem Mg in Mg-enthaltenden Verbindungen (ATP, Ribosomen und Chlorophyll), in denen schwere Mg-Isotope gebunden sind; und (3) während des Exports des verbleibenden freien, isotopisch komplementären und daher leichten Mg und evt. zusätzlicher Fraktionierung. In den Zellen des Pilzes K. petricola herrscht eine hohe Exportrate von freiem Mg, das leicht in seiner Mg-Isotopenzusammensetzung ist, vor. Dieses Mg wird anschließend mit isotopisch schwerem Mg aus der Wachstumslösung aufgefüllt. Die K. petricola-Zelle wird daher von den isotopisch schwereren intrazellulären Mg enthaltenden Verbindungen wie ATP und Ribosomen dominiert. Die pH-Wert abhängige Mg-Isotopenfraktionierung in K. petricola-Zellen beruht auf Unterschieden in den Zuflüssen von Mg, die in die Zelle eintreten und diese verlassen. Im Gegensatz dazu verfügt das Cyanobakterium N. punctiforme über große intrazelluläre Mg-Vorräte (10-mal mehr als K. petricola) und bindet alles Mg, das in die Zelle eintritt, in ihren Mg-Verbindungen. Daher ist die Isotopenzusammensetzung der Zelle identisch mit der des Mg, das aus der Wachstumslösung in die Zelle eingetreten ist. Aus dieser Beziehung resultiert eine inverse Beziehung zwischen Mg-Konzentrationen in den Zellen und der Mg-Isotopenfraktionierungsfaktoren der Gesamtzelle. Dieses Modell erklärt bereits veröffentlichte Feld- und Labordaten zu der Mg-Isotopenzusammensetzung von Blättern, Wurzeln, Gesamt-Pflanzen, Pilzen und Cyanobakterien, die eine inverse Beziehung zwischen Mg-Konzentrationen und Mg-Isotopenfraktionierungsfaktoren aufzeigen. Das in dieser Arbeit entwickelte zelluläre Modell erlaubt nunmehr, die Isotopenfraktionierung von Mg in Ökosystemen vorherzusagen. Nachdem die Mg-Isotopenfraktionierung durch Pilzzellen erforscht war, wurden die Raten und Mechanismen der Auflösung von Olivin (Mg,Fe)2(SiO4) in Laborexperimenten einerseits in Gegenwart von K. petricola und andererseits in einem abiotischen Kontrollexperiment bestimmt. Die Auflösungsraten von Olivin (1,04 × 10-15 mol cm-2 s-1) bei pH 6 waren in Gegenwart des Pilzes siebenmal höher als in dem abiotischen Kontrollversuch. Die Mg/Si-Verhältnisse im Überstand zeigten eine anfängliche nicht-stöchiometrische Phase, in der die Auflösungsgeschwindigkeit höher war, und eine spätere stöchiometrische Phase, bei der die Auflösungsgeschwindigkeit geringer war. Die anfängliche nicht-stöchiometrische Phase wurde einem schnellen Austausch von Mg²+ mit H+ bei gleichzeitiger Polymerisation von Si-Tetraeder zugeordnet, während die stöchiometrische Phase dem Aufbau einer Si-reichen amorphen Schicht zugeordnet wurde, die die Auflösungsgeschwindigkeiten verlangsamt. Das nicht-stöchiometrische Verhalten zeigte sich auch in den Mg-Isotopenverhältnissen. Die Mg-Isotopenanalyse des Überstandes zeigte sowohl im abiotischen als auch im biotischen Experiment eine Anreicherung von 24Mg relativ zum Mineral der anfänglichen nicht-stöchiometrischen Phase. Im Gegensatz dazu war während der späteren stöchiometrische Phase die Isotopenzusammensetzung des Überstands ähnlich der des auflösenden Olivins. Die bevorzugte Freisetzung von 24Mg während der Anfangsphase der Auflösung von Olivin führe ich auf kinetische Isotopenfraktionierung und isotopisch kongruente Auflösung während der stöchiometrischen Phase zurück. Es wurden keine Unterschiede in der Entwicklung der chemischen Zusammensetzung und der Isotopensignatur zwischen dem biotischen und dem abiotischen Experiment gefunden. Diese Ähnlichkeit zeigt, dass der Pilz die Freisetzung von Mg nicht direkt beeinflusst. Nur die Freisetzungsraten sind unterschiedlich. Demnach beschleunigt der Pilz die Olivinauflösung indirekt durch (1) die Anlagerung von Pilzen an Mineraloberflächen, die die Mikroumgebung der Kontaktzone durch Abgabe von Protonen ansäuert; und (2) die Auflösung von Fe(III)-Ausfällungen, die in der Si-reichen amorphen Schicht vorliegen, durch Chelatbildung mit Siderophoren. Diese Studie bietet nicht nur Einblicke in die biogene Mineralverwitterung, sondern ist auch relevant für die Effizienz der "verstärkten Verwitterung", die in Experimenten zur CO2-Sequestrierung eingesetzt wird.
