Application of microbial proxies to study paleoclimate and paleoenvironment in various sediment types  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
125060
Type K
Principal investigator Polgári, Márta Piroska
Title in Hungarian Mikrobiális proxy-k alkalmazása paleoklíma és paleokörnyezeti vizsgálatokban változatos üledéktípusokon
Title in English Application of microbial proxies to study paleoclimate and paleoenvironment in various sediment types
Keywords in Hungarian mikrobiális proxy, ércképződés, paleokörnyezet
Keywords in English microbial proxy, ore formation, paleoenvironment
Discipline
Mineralogy, Petrology (Council of Complex Environmental Sciences)70 %
Ortelius classification: Mineralogy
Geology, Tectonics, Vulcanology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Ortelius classification: Sedimentology
Panel Earth sciences 1
Department or equivalent Institute for Geological and Geochemical Research (Research Centre for Astronomy and Earth Sciences)
Participants Fekete, József
Gyollai, Ildikó
Karlik, Máté
Kovács, Ivett
Kovács, János
Németh, Tibor
Starting date 2017-09-01
Closing date 2021-08-31
Funding (in million HUF) 26.408
FTE (full time equivalent) 10.40
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kutatócsoportunk jelentős tapasztalattal bír az üledékes kőzetekben található mikrobiális nyomok vizsgálatában. A kialakult vizsgálati módszerünk egy többszintű, hierarchikus módszertan, amit az elmúlt évek során sikeresen alkalmaztunk paleokörnyezeti paraméterek meghatározására, és az adott összletek mikrobiális történetének (diagenezis, ércesedés stb.) rekonstruálására, nagyon változatos korú és eredetű üledékek és üledékes érecesdések esetében (Mn ércek, feketepalák, mállott felszínű karbonátos minták, ofiolitokhoz kapcsolódó ércesedés stb.). A módszer magában foglalja az optikai mikroszkóppal vizsgálható mikroszerkezeti elemek, az in situ ásványos és szerves anyag összetétel és eloszlás, kémiai és nyomelem összetétel és eloszlás, valamint a környezetre érzékeny, diagnosztikus agyagásványok vizsgálatát is.
A jelen projekt célja az, hogy 1) kiegészítsük a módszertant molekuláris szerves geokémiai mutatók (biológiai marker vegyületek) vizsgálatával, ami várakozás szerint megerősíti és/vagy tovább pontosítja a levonható következtetéseket; 2) kiterjesszük a módszerrel vizsgált minták, illetve üledékes kőzetek körét negyedidőszaki és recens (pl. lösz és tóüledék minták) szekvenciákra, a Toarci Óceáni Anoxikus Eseményhez köthető üledékes rétegsorokra, valamint olyan ércesedésekre és elemdúsulásos folyamatok vizsgálatára, ahol a mikrobiális tevékenység nyomai proxy-ként alkalmazhatóak a paleokörnyezeti, paleoklimatológiai változások nyomon követésére.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A paleokörnyezeti kutatások esetében a végső cél rendszerint a lerakó közeg fizikai és kémiai paramétereinek (redox viszonyok, pH, hőmérséklet, sótartalom, mélység stb.) és az üledékes anyag geológiai, geokémiai jellemzőinek (allochton vagy autochton eredet, szerves geokémiai fácies) meghatározása. A mikrobiológiai proxy-k segítségével egy adott szelvényben követni tudjuk a kőzet átalakulási folyamatait (szerves anyag lebomlása, ércek és autigén ásványok keletkezése, különböző elemdúsulások stb.). Ezeket a vizsgálatokat molekuláris szerves mutatók meghatározásával kiegészítve az eredmény egy sokváltozós multiproxy adatsor lesz minden vizsgált szelvény esetében. Az adatok megfelelő értelmezése a környezeti és mikrobiális változások olyan, jól alátámasztott meghatározását teszi lehetővé, ami a paleokörnyezeti rekonstrukció mellett leírja a különféle környezetekben aktív baktériumok hozzájárulását az ércképződéshez vagy elemdúsuláshoz. A sokféle üledék vizsgálata azt eredményezi, hogy a többszintű hierarchikus módszertant képesek leszünk hozzáigazítani az adott üledékhez, a legpontosabb következtetések levonása érdekében.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Két fő eredményt várunk:
1) Új és modern módszerekkel meghatározott és értelmezett paleokörnyezeti és paleoklíma adatok és eredmények készülnek el, változatos korú és típusú mintákon.
2) A korábban is eredményes többszintű hierarchikus módszertan kiegészül és pontosabbá válik a biológiai marker vegyületek alkalmazásával.
A projekt mindenképpen innovatív és egyedinek tekinthető, mivel a molekuláris szerves geokémiai és az egyéb (mikroszerkezeti, ásványtani és geokémiai) proxy-k együttes alkalmazása olyan részletes és újszerű tudományos eredményeket hozhat, amire még nem volt példa hazánkban. Biológiai marker vizsgálatok eddig csak anyakőzetekből kerültek publikálásra, kőolajipari szempontból.

A projekt társadalmi hatása kettős. Egyrészt minden olyan klimatológiai kutatás, ami a zajló éghajlatváltozás megértéséhez közelebb viheti a tudományt, jelentős hatású lehet. Másrészt, mivel a vizsgálni kívánt minták egy részében az ércesedés vizsgálata kimondott cél, a mikrobiális proxy-k új elemdúsulások vagy érces összletek felfedezéséhez, vizsgálatához járulhatnak hozzá (valószínűleg ez az ország határain kívüli mintákra vonatkozik).

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az elmúlt három évtized során egyre nagyobb részletességgel vizsgált mikrobiális tevékenység által vezérelt ércesedés kutatása során kialakítottunk egy újfajta vizsgálati szemléletmódot, az ún. többszintű hierarchikus módszertant. Ez a megközelítés egyedülállóan hatékonynak bizonyult a mikrobiális közösségek geológiai mintákban megőrződött nyomainak vizsgálatában, illetve az ércesedési folyamatok és az egykori környezeti változások ezeken keresztül történő jobb megértésében.
A mostani projekt keretében egyrészt ezt a módszertant kívánjuk kiegészíteni az élő szervezetek anyagából megőrződött, úgy nevezett biológiai marker vegyületek vizsgálatával, ami nagyban kiegészítheti a korábbi ismereteineket a lerakódási környezetek és ércképző folyamatok fizikai és kémiai paramétereiről. Másrészt ki akarjuk terjeszteni az eddig folyó kutatásokat olyan nagyon fiatal mintákra, amik a közelmúlt (akár néhány száz év) klímaváltozásairól adnak információt.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We have developed an approach to study microbial processes in various types of sediments and use these microbial proxies to reconstruct the environmental parameters during deposition and describe the environmental changes governed and marked by microbiota during and after deposition and diagenesis. This so-called multilevel hierarchical methodology (including microstructural, petrological, in situ mineralogical and organic matter composition and distribution, and geochemical studies) has succesfully been applied to study microbial processes (and the changes of plaeoenvironmental conditions) in a various set of samples (Mn ores, black shales, weathered carbonate samples, ore formation in an ofiolite sequence etc.).
The aim of the recent project is to test this methodology via extension of the sample types to Quaternary sediments (e.g. lake deposits, loess sequences), sequences connected to the Toarcian Oceanic Anoxic Event, sediments with microbial ore formation and element enrichment processes) and to corroborate and refine the former and new results with detailed biological marker studies.
Our plan is 1) to re-interpret our considerable sample set from the point of biological markers and 2) to apply multilevel hierarchical methodology on a set of new sample types, listed above. The expected result will be the refinement of the methodology by biological markers and the identification of microbial assemblages. These data will be used as tools to reconstruct paleoenvironmental and paleoclimate changes.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In the case of paleoenvironmental reconstruction studies the final aim is generally to gain knowledge on the physico-chemical parameters (redox conditions, pH, temperature, salinity, depth) of the depositional environment and the sediment (autochtonous/allochtonous, organic geochemical facies etc.). With the help of microbial proxies we will be able to follow the transformation (degradation of organic matter, generation of ore and authigenic minerals, element enrichments) of a given sequence. Together with the molecular organic geochemical measurements we will have a multiproxy record for various types of sediments. The interpretation of these data will result in a very well corroborated reconstruction of the paleoenvironmental and microbial changes and will elucidate the role of bacteria in the ore formation processes. We will be able to refine our multilevel hierarchical methodology, to fit the best approach to a given sedimentary record.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
New perspectives:
1) New paleoenvironmental and paleoclimate data and interpretation will be acquired from samples of various ages (Jurassic, Quaternary etc.) and depositional environments.
2) The efficient multilevel hierarchical method will be corroborated and refined with the application of molecular organic geochemical proxies (biological markers).
The project have to be considered unique, as molecular organic geochemical proxies (biological markers) have not been applied for paleoenvironmental or paleoclimate studies on Hungarian sedimentary sequences, only from the petroleum industrial approach. The not really widespread joint application of biomarkers with microstructural, mineralogical and geochemical parameters can be expected to result in novel and detailed scientific interpretations.

The project may have a double social expedience. On the one hand, any research concerning the climatic changes of the last decades or hundreds of years contributes to the better understanding of the climatic changes in progress, and a part of our project deals with Quaternary samples up to recent. On the other hand, the study of ore formation processes with the help of microbial proxies may contribute to the better understanding or discovery of new mineral ore deposits (more likely outside Hungary).

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
During the more and more detailed research performed on microbial ore formation during the last three decades, our research group developed a so-called multilevel hierarchical methodology, which was proven to be uniquely effective to study the geological traces of microbial communities and their role in ore formation, and to use microbial signs (proxies) to reconstruct the phyisical and chemical parameters (water depth, temperature, salinity, oxygen concentration, acidity etc.) of the deposition environment.
In the frames of the recent project we plan 1) to complete the methodology with the application of organic molecular measurements (biological markers, the remnants of the living organisms) to corroborate, refine and extend the knowledge on the depositional and microbial history of the formerly studied sequences, and 2) to extend our investigation to young sedimentary sequences to get information on the climate changes of the near past.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Változatos geológiai korú üledékes mangán- és vasércek, egyéb érc indikációk és üledékek vizsgálatát végezték el nagy felbontású optikai kőzetmikroszkópos, infravörös (FTIR) és Raman spektroszkópiai mérésekkel a mikroszövet, az ásványos- és szervesanyag összetétel és eloszlás megállapítása céljából. Az adatok alapján a kínai feketepala környezetű karbonátos mangánércek (neoproterozoós, perm és karbon) mikrobiális közreműködéssel képződtek és később a kőzetté válás során a sejt anyag és a gélmátrix komplex ásványosodása történt meg. A brazíliai Urucum telep oxidos mangán- és vasérce szintén mikrobiális működés hatására keletkezett, azonban a diagenezis során itt a körülmények oxidos-szuboxidos tartományban maradtak. A bükkszentkereszti ércindikáció vizsgálata hasonló eredményre vezetett. Ezek a telepek ásványosodott biomat (laminált mikrobiális) rendszerek, és képződésük a magyarországi úrkúti mangánérc telep esetében kidolgozott kétlépcsős mikrobiális keletkezési modellel írható le. További lényeges tudományos innováció a sejt és gélmátrix szerepének meghatározása az ércképző rendszer elem készlete, valamint a jelentős érctelep tömeg hozzájárulásához mind minőségben (változatos, nagy számosságú ásvány faj), mind mennyiségben (gigantikus tömegű érctelepek). Ez felhívja a figyelmet arra, hogy nem csupán az elsődleges mikrobiálisan befolyásolt folyamatok, hanem a diagenetikus folyamatok is jelentős hozzájárulást képviselnek az érctelepek vonatkozásában.
Results in English
Investigation of sedimentary manganese and iron ores and also other ore indications and sediments of variable geological ages were carried on by high resolution optical rock microscopy, FTIR and Raman spectroscopy to characterize the micro-texture, mineral and organic matter types and distributions. Based on data, the Chinese black shale-hosted manganese carbonate ore deposits (Neoproterozoic, Permian and Carboniferous) formed by microbial mediation, and later via diagenesis, the complex mineralization of cell organic matter and extracellular polimeric substance occurred. This is also the case in iron oxide ores of Urucum. The Bükkszentkereszt ore indication also concluded similar results. These deposits are mineralized biomat systems, and their formation can be described by the two step microbially mediated formation model evaluated in Úrkút manganese deposit, Hungary. The trace element content of the deposits is determined by microbial processes. Further important scientific innovation is the determination of role of cell and extracellular polymeric substance in the element reservoir of ore forming systems, and the important contribution to the mass of ore deposits in the sence of quality (numerous mineral facies) and quantity (giant mineral mass) contribution. This asks for attention that not only the primary microbially mediated mineralization, but also diagenetic processes represent considerable contribution to ore deposits.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=125060
Decision
Yes





 

List of publications

  
Karlik, M., Gyollai, I., Vancsik, A., Fintor, K., Szalai, Z., Mindrescu, M. Gradinaru, I., Vágási S., Bozsó G., Polgári M., & Pál-Molnár, E.: High resolution mineralogical characterisation of sediments - lake Bolotau-Feredeu (Romania), Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences. 16(1), 199-210., 2021
Polgári, M., Gyollai, I.: Geochemical constraints on the element enrichments of microbially mediated manganese and iron ores – An overview, Ore Geology Reviews, 136, Paper: 104203, 2021
Yu, W., Polgári, M., Fintor, K., Gyollai, I., Szabó, M., Velledits, F., Liu, Z., Du, Y.: Contribution of microbial processes to the enrichment of Middle Permian manganese deposits in northern Guizhou, South China, Ore Geology Reviews, 136, Paper: 104259., 2021
Yu, W., Polgári, M., Gyollai, I., Fintor, K., Huang, H., Szabó, M., Du, Y.: Microbial metallogenesis of early Carboniferous manganese deposit in central Guangxi, South China, Ore Geology Reviews, 136, Paper: 104251., 2021
Gracheva, M., Homonnay, Z., Kovács, K., Béres, K. A., Biondi, J. C., Gyollai, I., & Polgári, M. P.: Mössbauer characterization of microbially mediated iron and manganese ores of variable geological ages, Ore Geology Reviews, 134, Paper 104124, 2021
Polgári, M., Biondi, J. C., Gyollai, I., Fintor, K., & Szabó, M.: Origin of the Urucum Iron Formations (Neoproterozoic, Brazil): Textural and Mineralogical Evidence (Mato Grosso do Sul–Brazil), Ore Geology Reviews, 139, Paper 104456., 2021
Polgári M, Gyollai I.: Complex mineralization of cell material via diagenesis, gold2020:abs:2020001459, 2020
Biondi, J. C., Polgári, M., Gyollai, I., Fintor, K., Kovács, I., Fekete, J., & Mojzsis, S. J.: Biogenesis of the Neoproterozoic kremydilite manganese ores from Urucum (Brazil)–A new manganese ore type, Precambrian Research, 340, 105624, 2020
Gál, P., Polgári, M., Józsa, S., Gyollai, I., Kovács, I., Szabó, M., & Fintor, K.: Contribution to the origin of Mn-U-Be-HREE-enrichment in phosphorite, near Bükkszentkereszt, NE Hungary, Ore Geology Reviews, 103665, 2020
Polgári, M., Gyollai, I., Fintor, K., Horváth, H., Pál-Molnár, E., & Biondi, J. C.: Microbially mediated ore-forming processes and cell mineralization, Frontiers in Microbiology, 10, 2731., 2019
Polgári M. Gyollai I. Fintor K. Biondi J. C.: Biogenic genesis of the Urucum Mn ores, Brazil, Goldschmidt Conference 2019, Barcelona, Aug. 18-23, abstract volume: 11/455, 2019
Yu, W., Polgári, M., Gyollai, I., Fintor, K., Szabó, M., Kovács, I., Fekete, J., Du, Y. and Zhou, Q.: Microbial metallogenesis of Cryogenian manganese ore deposits in South China, Precambrian Research, 322, pp.122-135., 2019
Gyollai I, Polgári M, Bíró L, Vigh T, Kovács T, Pál-Molnár E: FOSSILIZED BIOMATS AS THE POSSIBLE SOURCE OF HIGH NATURAL RADIONUCLIDE CONTENT AT THE JURASSIC ÚRKÚT MANGANESE ORE DEPOSIT, HUNGARY, CARPATH J EARTH ENVIRON SCI 13: (2) pp. 477-487., 2018
Polgári M, Gyollai I, Bérczi Sz: Microbially mediated transformation inside the kaba meteorite?, ACTA GEOGRAPH GEOL METEOROL DEBR 1: (SI) pp. 55-69., 2018
Polgári M, Gyollai I., Bérczi Sz.: Mikrobiális átalakulás a Kaba meteorit belsejében?, In: Nagy M., McIntosh R. (szerk.) (szerk.) Átfogó kutatások a kabai meteoriton . Debrecen, Magyarország, 2017.11.08. Kiadvány: Debrecen: 2017. pp. 8, 2017
Polgári M, Szabó Z, Vigh T: Mangánércbányászat Úrkúton (1917-2017), Szeged: GeoLitera, 260 p., 2017
Yu, W., Polgári, M., Gyollai, I., Fintor, K., Szabó, M., Kovács, I., Fekete, J., Du, Y. and Zhou, Q.: Microbial metallogenesis of Cryogenian manganese ore deposits in South China, Precambrian Research, 322, pp.122-135, 2019
Polgári M. Gyollai I. Fintor K. Biondi J. C.: Biogenic genesis of the Urucum Mn ores, Brazil, Goldschmidt Conference 2019, Barcelona, Aug. 18-23, abstract volume: 11/455, 2019
Wolfgang Ruebsam, Tamás Müller, János Kovács, József Pálfy, Lorenz Schwark: Environmental response to the early Toarcian carbon cycle and climate perturbations in the northeastern part of the West Tethys shelf, Gondwana Research, 2018
Polgári M, Szabó Z, Vigh T.: Mangánércbányászat Úrkúton (1917-2017) Manganese ore mining at Úrkút (1917-2017, GeoLitera, 2017
Polgári Márta, Gyollai Ildikó, Bérczi Szaniszló: Microbially mediated transformation inside the Kaba meteorite?, In: Nagy M., McIntosh R. (Eds.), Comprehensive Research on Kaba Meteorite, Acta GGM Debrecina Geology, Geomorphology, Physical Geography Series, Debrecen University Press, 2018
Péter GÁL, Márta POLGÁRI, Sándor JÓZSA, Ildikó GYOLLAI, Krisztián FINTOR: Contribution to the origin of the P-Mn-U-Be-HREE-enrichment in phosphatite, near Bükkszentkereszt, NE Hungary, http://www.treicep.com, 2018
M. Karlik, I. Gyollai, J. Fekete, M. Mindrescu, I. Grădinaru, J. Kovács, M. Polgári: MICROBIAL FOOTPRINT IN LAKE SEDIMENTS FROM CENTRAL EUROPE, ISC2018 Canada Quebec poster abstract, 2018
Ildikó Gyollai, Márta Polgári, Lóránt Bíró, Tamás Vigh, Tibor Kovács, E. Pál-Molnár: Fossilized biomats as the possible source of high natural radionuclide content at the Jurassic Úrkút Manganese Ore Deposit, Hungary, Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, August 2018, Vol. 13, No. 2, p. 477 - 487; DOI:10.26471/cjees/2018/013/041, 2018
Ildiko Gyollai, Márta Polgári, Szaniszló Bérczi, Ákos Kereszturi: Aquaeous alteration and putative microbial mediation in NIPR L chondrites, EPSC poszter, 2018
Karlik, M., Fekete, J., Mindrescu, M., Grădinaru, I., Bozsó, G., Bíró, L., & Kern, Z.: Natural and anthropogenic changes in a lake-forest system in Bukovina (Romania) since 1340 AD documented by sedimentary organic geochemistry (C, N and n-alkanes), Quaternary International, 493, 166-175, 2018
Gyollai, I., Polgari, M., Biro, L., Vigh, T., Kovacs, T. and Pál-Molnár, E.: Fossilized biomats as the source of high natural radionuclide content at the Jurassic Úrkút Manganese ore deposit, Hungary, Carpathian Journal of the Earth and Environmental Sciences 13(2), 477-487., 2018




 

Events of the project

  
2018-12-03 10:58:19
Résztvevők változása



Back »