De bacterie waar het allemaal om draait behoort tot de groep acidobacteriën, die vooral in de bodem maar ook in het water leven en waarvan de resten ook als fossiel bewaard blijven. In hun celmembraan produceren ze vetmoleculen (lipiden), waarvan ze de structuur kunnen aanpassen aan het omringende milieu en fysische factoren, zoals temperatuur. De vetmoleculen (de zogeheten brGDGT's ofwel branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers), feitelijk resten van de bacteriën, geven daarom de exacte temperatuur aan waaronder de celmembraan is gevormd, ook als zij al miljoenen jaren oud zijn.

Continue tijdreeks
Nieuw aan deze 'temperatuurproxy' (een proxy is een indirect signaal) is dat deze gebruikt kan worden om het klimaat op de continenten te reconstrueren. "Over klimaatverandering in oceanen weten we al erg veel," aldus NIOZ-onderzoeker Helge Niemann. "Voor klimaatkennis over oceanen hebben we een continue tijdreeks aan onverstoorde diepzeesedimenten tot onze beschikking. Op het land zijn er door erosie en gebergtevorming juist veel hiaten in de afzettingen. Een continue reeks sedimenten, waaruit we het paleoklimaat kunnen aflezen,  is op land daarom alleen in afzettingen op de bodem van diepe meren te vinden."

De onderzoekers filterden honderden liters water uit het meer van Lugano op een diepte van maximaal 275 meter met behulp van een op batterijen werkende in-situ pomp. Foto: Yuki Weber.

Zwitserse meren
In de centrale Alpen bevinden zich voor dergelijk onderzoek geschikte meren, die een schat aan ongestoorde afzettingen herbergen. Van deze zoetwatermassa's zijn al veel fysische en chemische data bekend, omdat zij uitgebreid worden gemonitord vanwege hun belang voor de zoetwatervoorziening, visserij en recreatie.

Bronbacteriën
Over de ecologische omstandigheden waaronder recente acidobacteriën leven, is nog maar weinig bekend. Daarom toog het onderzoeksteam naar het 300 m diepe meer van Lugano, en analyseerde daar zowel de waterkolom als bodemafzettingen op recente en fossiele brGDGT's en de 'bronbacteriën'.
Op enkele tientallen meters diepte in de waterkolom troffen zij brGDGT's met een specifieke stabiele koolstofisotopenverhouding aan (de verhouding tussen koolstof met een atoommassa van 13c en 12, resp. 13C en 12C), die verschilt van brGDGT's in bodems of oppervlaktewater. Niemann: "Om zeker te zijn dat deze brGDGT's ook op deze waterdiepte gevormd worden uit de bronbacteriën, hebben we incubatie-experimenten gedaan met isotopisch zwaar koolstof. De specifieke stabiele koolstofisotopenverhouding van deze brGDGT's op diepte in de waterkolom maakt het mogelijk deze te herkennen, ook als (fossiele) brGDGT's in sediment."

Betrouwbaarder signaal voor paleotemperatuur
"In tegenstelling tot echt diep water is de watertemperatuur op de diepte waar deze brGDGT's worden gevormd gecorreleerd met de atmosferische temperatuur en bieden deze vetmoleculen goede informatie over de atmosferische temperatuur, ook in het verleden", legt Niemann uit. Dankzij het gegeven dat de moleculaire structuur van de lipiden in de loop van de geologische tijd niet verandert, zijn de fossiele vetmoleculen een betrouwbaar signaal voor de paleotemperatuur.

Deze nieuwe continentale temperatuurproxy is een kwantitatieve en daardoor wetenschappelijk zeer gewenste aanvulling op de tot nu toe toegepaste proxies voor klimaatreconstructie van het continentale klimaat, zoals pollen en kalkafzettingen in grotten.

Bacteriën en andere deeltjes uit het water van het meer werden verzameld op een glasvezelfilter. Foto: Foto: Yuki Weber.

Meer paleothermometers van NIOZ
Met de ontwikkeling van temperatuurproxies voor het paleoklimaat is NIOZ al sinds het begin van deze eeuw bezig. Zo werd de inmiddels door veel internationale klimaatonderzoekers gebruikte TEX86 door NIOZ ontwikkeld. Hiermee kunnen zowel oceaan- als deltasedimenten, maar ook continentale afzettingen worden geanalyseerd. De proxy is populair in uiteenlopende IPCC-onderzoeken.

Voor de TEX86 wordt eveneens gebruik gemaakt van temperatuurgevoelige vetmoleculen uit celmembranen. Anders dan in het hierboven beschreven recente onderzoek zijn de lipiden in de TEX86 niet afkomstig van acidobacteriën, maar van bepaalde Archaea-microben (naast de bacteriën een hoofdgroep van eencelligen zonder celkern).

NIOZ is ook actief met het cultiveren van de acidobacteriën, om zo meer te weten te komen over de ecologische omstandigheden waaronder deze microben gedijen en meer inzicht te krijgen in de vorming van de brGDGT's.
 

Samenwerking
De studie in Zwitserland werd uitgevoerd in samenwerking met de Universiteit van Bazel, ETH Zurich, University of Applied Sciences and Arts of Southern Switzerland, en Eawag.

Artikel
Yuki Weber, Jaap S. Sinninghe Damsté, Jakob Zopfi, Cindy De Jonge, Adrian Gili, Carsten J. Schubert, Fabio Lepori, Moritz F. Lehmann, Helge Niemann
Redox-dependent niche differentiation provides evidence for multiple bacterial sources of glycerol tetraether lipids in lakes
PNAS (2018), doi: 10.1073/pnas.1805186115