Achim Jan Herrmann

• About 2.4 Ga ago the Great Oxygenation Event (GOE) started the permanent oxygenation of Earth’s anoxic atmosphere. The oxygen was most likely produced by oxygenic photosynthesis in Cyanobacteria. However, hints for local occurrences of Cyanobacterial life and free oxygen exists for at least 300 Ma prior to the GOE. Different hypotheses were proposed to explain this delay between the evolution of oxygen producers and the start of the GOE. For this thesis, theoretic predictions made by two of those hypotheses were tested in laboratory experiments using ancestral, basal clade Cyanobacteria grown under simulated Archean like conditions. Cyanobacteria might have evolved in freshwater environments and subsequently had to adapt to the higher salinity of the Archean ocean. In turn, this would have delayed their global expansion required for the GOE. Experiments with the most primitive freshwater Cyanobacterium Gloeobacter violaceus PCC 7421, showed its ability to tolerate and slowly grow in brackish water, thereby providing a route for the evolution of open ocean dwelling, salt tolerant species. The Archean ocean may have presented another hurdle to Cyanobacterial expansion as it contained large amounts of Fe(II), which is presumed to be toxic to Cyanobacteria. This thesis shows that the localised activity of Cyanobacteria could have formed marine oxygen oases in shallow coastal regions. This would have negated the toxicity of Fe(II) and could have produced more net O2 then modern oxic systems. Additionally, the formation of green rust was observed, which seemed to have a toxic effect on Cyanobacterial growth and could be an important factor for the genesis of banded iron formations. In conclusion, this thesis could show the viability of both, the “freshwater-origin” and “Fe(II)-toxicity”, hypothesis. Nevertheless, how long it took for Cyanobacteria to overcome the restrictions described above to expand into the open ocean is uncertain and needs to be further studied.
• Die permanente Anreicherung der Erdatmosphäre mit Sauerstoff begann vor 2.4 Ga und wird gemeinhin als die Große Sauerstoffkatastrophe (GOE) bezeichnet. Der hierfür benötigte Sauerstoff wurde wahrscheinlich durch oxygene Photosynthese von Cyanobakterien produziert. Hinweise auf lokale Vorkommen von cyanobakteriellem Leben und freiem Sauerstoff existieren jedoch bereits seit 300 Ma vor dem GOE. Zur Erklärung, warum die Evolution von Sauerstoffproduzenten und der Start des GOE zeitlich entkoppelt sind, existieren zahlreiche Hypothesen. Diese Arbeit testet theoretische Vorhersagen von zwei dieser Hypothesen in realen Experimenten an basalen Cyanobakterien unter Bedingungen des Archaikums. Cyanobakterien könnten in Süßwasser entstanden sein und hätten sich vor ihrer globalen Expansion erst an den höheren Salzgehalt des Archäischen Ozeans anpassen müssen. Experimente mit dem primitivsten Süßwassercyanobakterum Gloeobacter violaceus PCC 7421 zeigten dessen Fähigkeit, Brackwasser nicht nur zu tolerieren, sondern auch langsam darin zu wachsen. Dies könnte einen Weg zur graduellen Anpassung an Salzwasser ermöglicht haben. Nicht nur der Salzgehalt des Archäischen Ozeans, sondern auch sein anoxisches, Fe(II) reiches Wasser könnte eine Wachstumsbarriere für frühe Cyanobakterien gebildet haben, da angenommen wird, dass Fe(II) toxisch für Cyanobakterien ist. Diese Dissertation konnte jedoch zeigen, dass die lokale Aktivität von Cyanobakterien zumindest in flachen Küstenregionen eine marine Sauerstoffoase gebildet haben könnte, welche die Toxizität von Fe (II) negiert und mehr Netto-O2 als oxische Systeme produziert. Ein toxischer Effekt wurde hingegen bei der Bildung von grünem Rost beobachtet, der zusätzlich ein wichtiger Faktor in der Genese von Bändereisenerz spielen könnte. Zusammenfassend konnte diese Dissertation sowohl die Hypothese des „Süßwasserursprungs“ als auch der „Fe(II)-Toxizität“ bekräftigen. Wie lange dies die Expansion von Cyanobakterien verzögert haben könnte, ist jedoch noch ungewiss und bedarf weiterer Untersuchungen.