Könnun á neðanjarðarlífríki eldfjallaeyjunnar Surtseyjar - verkefni lokið
Fréttatilkynning verkefnisstjóra
Hafskorpan er stærsta og eitt minnst kannaða búsvæði heims á jörðinni. Basaltið sem er undir yfirborði Surtseyjar við Ísland er tiltölulega nýmyndað og er enn heitt sem gerir það ákjósanlegt til rannsókna. Reyndar er Surtseyjareldfjallajarðhitakerfið einstakt náttúrufyrirbrigði sem hægt er að líta á sem náttúrulega rannsóknarstofu fyrir rannsóknir á víxlverkun milli vökva, bergs og örvera við hitastig sem nálgast hitamörk lífs.
Til að rannsaka neðnajarðarlífríki, þarf að bora niður í bergið frá yfirborðinu og fá þannig fram einskonar glugga, sem nær frá yfirborðinu niður í heit jarðlög basalthafskorpunnar. Þannig er hægt að rannsaka bergið, örverurnar og þá ferla sem þar er að finna. Tilgangur með verkefninu var að kanna neðnajarðarlífríki Surtseyjar, þ.e. örverusamsetninguna, uppbyggingu hennar, fjölbreytileika og virkni. Skoðuð voru mismunandi sýni eins og borkjarnar, borholuvatn og jarðhitagufur af yfirborði sprungna. Þessi sýni voru svo borin saman við borholuvökvan (sjór til kælingar) sem var notaður við borunina og við sjósýni sem voru tekin við eyjuna. Sameindafræðilegar aðferðir (16S rRNA amplicon og metagenomic raðgreiningar) voru notaðar til að rannsaka DNA sem einangraðist úr sýnunum, ásamt örveruræktunum sem voru gerðar. Einkennum á nýjum einangruðum örverustofnum var lýst og skoðuð með smásjá. Í verkefninu lýstum við m.a. aðferðafræðinni sem var notuð til að finna út hvaða örverur tilheyrðu hugsanlega mengunarörverum og hvernig við drögum úr áhrifum þeirra á gagnasöfn okkar en slíkt er mjög krefjandi í neðanjarðar lífríkisrannsóknum. Við notuðum aðferðafræði til að minnka mengunaráhættu við sýnatöku og notuðum sértækt forrit sem er notað við úrvinnslu til að greina milli örvera sem tilheyra neðanjarðarlífríkinu og þeirra sem hafa hugsanlega borist niður með borvökvanum við boruninna sem mengun. Eftir að hafa fjarlægt meintar mengunarörverur úr gögnunum, sýndu niðurstöður okkar mjög lítinn örverumassa í fjölbreyttu búsvæði. Þær sýndu tilvist raun- og fornbaktería, ásamt hitakærum örverum, sem hafa einnig fundist í land- og sjávarumhverfi.
Margar þessara örveruhópa tilheyra þekktum ófrumbjarga tegundum sem lifa á lífrænum efnum en einnig frumbjarga tegundum með ólífræn efnaskipti (t.d. á brennisteinsamböndum og metan). Töluvert af þessum örveruhópum var ekki hægt að skilgreina frekar. Með 16S rRNA gena greiningum var einnig hægt að tengja landnám örveranna við þessa nýmynduðu basaltjarðskorpu við uppruna úr sjónum umhverfis, frá yfirboði og frá neðanjarðarumhverfinu. Rannsóknirnar með smásjártækni á kjarnasýnum sýndu form sem líktust örverum sem voru bundin við basaltbergið og mynduðu einskonar þyrpingar líkar örveruþekjum. Líta má á Surtsey sem eyju sem er mjög gljúp fyrir vatni sem er með einskonar svampabyggingu úr basalti og þar með sía inn í sig örverur úr umhverfinu. Þær örverur sem ná að tengjast og aðlagast þessu neðanjarðar jaðarumhverfi geta þannig orðið nýir landnemar. Fleiri en 190 örverustofnar voru einangraðir og skilgreindir úr þessu neðanjarðarumhverfi og einni nýrri hitakærri bakteríutegund, Rhodothermus bifroesti var lýst.
Með þessum rannsóknum hefur skilningur okkar aukist á hvernig landnám örvera neðanjarðar fer fram og á fjölbreytileika og virkni þeirra í nýmynduðu basaltbergi. Þetta getur haft einstakt vísindalegt gildi og getur lagt grunn að framtíðarrannsóknum og að innlendu og alþjóðlegu samstarfi. Auk þess geta þeir örverustofnar sem voru einangraðir leitt til uppgötvunar nýrra lífvirkra efnasambanda til nýtingar í líftækni.
English:
The oceanic crust is the world's largest and least explored biosphere on Earth. The basaltic subsur-face of the Surtsey island in Iceland, representing an analogue of the warm and newly formed-oceanic crust, has a great potential for discoveries. Indeed, the Surtsey volcano geothermal system represents an exceptional natural laboratory for studying fluid-rock-microbe interactions at tem-peratures approaching the presumed thermal limit for functional life on Earth. Its boreholes can be viewed as windows opened from the land surface that allow the study of subsurface processes at high temperatures associated with the basaltic oceanic crust.
The project aimed to explore the microbial composition, structure, diversity, and function within the subsurface of the Surtsey volcano. Different types of samples were examined including drill cores, borehole fluids, fumarole samples, which were compared with drilling fluids and seawater samples. The methods employed to this end involved molecular analyses of the environmental DNA (16s rRNA amplicon gene sequencing and metagenomic), cultivation of microorganisms, in-cluding the characterization of a novel thermophilic bacterial species, and microscopic investiga-tion.
In this study, we report our strategy to identify and minimize contaminants in the data sets, one of the most challenging aspects of subsurface microbiology research. Indeed, we employ both meth-odological and computational strategies to identify indigenous microbial species of subsurface rocks from possible contaminants present in the drilling fluid. After decontamination of the da-tasets, our results revealed low biomass but highly diverse habitat. It hosts bacterial and archaeal clades, including thermophiles, that have been previously detected in other terrestrial and marine environments. Many of the taxa identified belong to taxonomic clades with recognized heterotro-phy and chemolithoautotrophy metabolisms (e.g. active sulfur and methane cycles). However, quite many taxonomic lineages detected in the subsurface of the volcano remain uncharacterized. The 16S rRNA gene amplicon sequencing results also shed light on a variety of microbial coloniza-tion sources in newly formed oceanic crust, including the deep subsurface, surrounding seawater, and surface habitats. In addition, microscopic investigation in the drill core samples reveals struc-tures that are attached to the basaltic substrate and that could correspond to microcolony com-plexes, suggesting a biofilm formation colonization strategy. Surtsey Island might thus be thought of as a porous, sponge-like basaltic structure that absorbs cells from its surroundings and selects microorganisms that can attach to the substrate and adapt to the volcano subsurface's harsh envi-ronmental conditions. We also isolated more than 190 strains from the subsurface and character-ized a new species, Rhodothermus bifroesti.
Besides adding to our understanding of the diversity and function of subsurface microbial commu-nities in basaltic and volcanic settings and the process of microbial colonization of a new habitat, the results of the project, which are of exceptional scientific value, provide the baseline for future national and international investigations and collaborations. Moreover, strains isolated from this project may lead to the discovery of novel bioactive compounds with high biotechnological poten-tial.
The results of the project were published or will be published and the data are publicly available.
Heiti verkefnis: Könnun á neðanjarðarlífríki eldfjallaeyjunnar Surtseyjar / ELiBSS: Exploring Life Beneath the Surface of Surtsey volcano
Verkefnisstjóri: Pauline Anna Charlotte Bergsten, Háskóla Íslands
Tegund styrks: Doktorsnemastyrkur
Styrktímabil: 2020
Fjárhæð styrks: 6,63 millj. kr. alls
Tilvísunarnúmer Rannís: 206582
