Purkamo, Lotta, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta, elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten, institutionen för livsmedels- och miljövetenskaper, Pedersen, Karsten, Itävaara, Merja, Bomberg, Malin, and Kukkonen, Ilmo
Microbial life in the deep subsurface contributes significantly to overall biomass on Earth. Although the microbial communities inhabiting the deep subsurface are abundant, little is known about their diversity, activity, interactions and role in global biogeochemical cycles. The diversity of microbial life in the deep terrestrial subsurface of the Fennoscandian shield was studied with molecular biological methods. The Outokumpu Deep Drill Hole provides access to crystalline bedrock fluids that are estimated to be tens of millions of years old. Characterization of the indigenous bacterial and archaeal communities in addition to microbial communities with important functional properties in bedrock fluids was done from a depth range of 180 m to 2300 m. Microbial community profiling and assessment of possible functional processes was done with molecular fingerprinting, cloning and sequencing methods combined with suitable statistical and bioinformatics analyses. Low cell numbers but high diversity was characteristic to the microbial communities of the Outokumpu deep subsurface. The microbial communities in the fracture zones had in general fewer cells than those in the mixed fluids of the drill hole. Comamonadaceae, Peptococcaceae and Anaerobrancaceae were prevalent bacterial members of the microbial communities in the fracture fluids. Archaea were a minority in microbial communities. Sulfate-reducing bacteria and methanogens were detected at several depths. Microbial communities resembled those detected from other deep Fennoscandian Shield subsurface sites. Furthermore, sulfate reducing communities and archaeal communities resembled those found from the deep subsurface of South Africa. Investigation on carbon assimilation strategies of the microbial communities revealed that mainly heterotrophic Clostridia were responsible for CO2 fixation in this habitat. Representatives of Burkholderiales and Clostridia formed the core microbial community and these were also identified to be the keystone genera. The microbial communities of Outokumpu fractures share similarity with those of serpentinization-driven ecosystems. Energy and carbon substrates formed in serpentinization reactions of ophiolitic rocks in Outokumpu may sustain the microbial communities in this deep subsurface environment. Syvällä maanpinnan alla elävät mikrobit muodostavat merkittävän osan maapallon kokonaisbiomassasta. Vaikka syvällä elää runsaasti mikrobeja, niiden monimuotoisuudesta, aktiivisuudesta, vuorovaikutuksista ja roolista maailmanlaajuisissa biogeokemiallisissa kierroissa tiedetään vielä vähän. Mikrobielämän monimuotoisuutta Fennoskandian kilven kallioperässä tutkittiin käyttäen molekyylibiologisia menetelmiä. Outokummun syvä kairareikä tarjoaa mahdollisuuden tutkia kiteisen kallioperän vesiä, joiden on arvioitu olevan kymmeniä miljoonia vuosia vanhoja. Kallioperän endeemisten bakteeri- ja arkeoniyhteisöjen koostumusta ja merkittäviä toiminnallisia ominaisuuksia luonnehdittiin syvyysvälillä 180 2300 m. Mikrobiyhteisöjen toiminnallisten ominaisuuksien arviointi toteutettiin molekyylibiologisin menetelmin käyttäen sormenjälki-, kloonaus- ja sekvensointimenetelmiä sekä sopivia tilastollisia ja bioinformatiikan analyysejä. Matala solumäärä mutta korkea monimuotoisuusaste leimasivat mikrobiyhteisöjä Outokummun syvässä kallioperässä. Rakovyöhykkeissä oli yleisesti vähemmän soluja kuin sekoittuneessa kairareiän vesipatsaassa. Comamonadaceae-, Peptococcaceae- ja Anaerobrancaceae-sukujen bakteerit olivat vallitsevia rakovyöhykkeiden mikrobiyhteisöissä. Arkeonit olivat vähemmistönä yhteisöissä. Sulfaattia pelkistäviä bakteereita ja metaanintuottajia havaittiin useissa eri syvyyksissä. Mikrobiyhteisöt muistuttivat muista Fennoskandian syvistä ympäristöistä havaittuja mikrobiyhteisöjä. Lisäksi sulfaatinpelkistäjät sekä arkeoniyhteisöt olivat samankaltaisia Etelä-Afrikan syvän kallioperän mikrobiyhteisöjen kanssa. Mikrobien hiiliaineenvaihdunnan tutkimus paljasti heterotrofisten klostridien toimivan pääasiallisina hiilidioksidin sitojina näissä elinympäristöissä. Burkholderiales- ja Clostridia-bakteeriryhmien edustajat muodostivat nk. Outokummun kallioperän ydinmikrobiston, eli näiden ryhmien jäseniä löytyi kaikista syvyyksistä. Lisäksi näiden ryhmien edustajien todettiin olevan yhteisöjen avainlajeja. Outokummun kallioperän rakovyöhykkeiden vesissä elävät mikrobiyhteisöt ovat samankaltaisia kuin ne yhteisöt, joita löytyy ekosysteemeistä joiden energia ja hiili ovat lähtöisin ofioliittisten kivien serpentinisaatiosta. Serpentinisaatioreaktioissa muodostuvat energian- ja hiilenlähteet voivat ylläpitää mikrobiyhteisöjä myös Outokummun syväbiosfäärissä.