Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8847
Main Title: Deliquescence-induced formation and habitability of chloride and perchlorate brines
Translated Title: Deliqueszenz-gesteuerte Bildung und Habitabilität von Chlorid- und Perchloratsalzlösungen
Author(s): Heinz, Jacob
Advisor(s): Schulze-Makuch, Dirk
Referee(s): Schulze-Makuch, Dirk
Finster, Kai
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Has Part: 10.1002/2016GL068919
10.1089/ast.2017.1805
10.1089/ast.2019.2069
Language Code: en
Abstract: The availability of liquid water on Mars is one of the key factors for its habitability. While there is strong morphological and geochemical evidence for the existence of large water bodies on the surface of Early Mars, at the present time, the planet is dry, cold and hostile. However, liquid water might still be found in niches like cold brines. These are especially relevant for Mars since several hygroscopic salts have been detected in the Martian regolith which cause a significant freezing point depression of water and, hence, enhance the habitability range of Mars to subzero temperatures. Formation of these brines could occur through deliquescence, i.e. water absorption by these salts followed by dissolution of the salts in the absorbed water. This process might has already been observed on Mars, namely by the formation of Recurring Slope Lineae (RSL) which are dark, flow-like features extending downslope from bedrock outcrops. In this study, both the formation process of RSL caused by deliquescence of various perchlorate (ClO4-) and chloride (Cl-) salts, and the survivability of the halo- and cryotolerant bacterial strain Planococcus halocryophilus within brines has been investigated. It was found that measuring electrical conductivity (EC) is an excellent method for following the process of deliquescence-induced RSL formation. The results of these experiments revealed that the darkening of soil typical for RSL can occur very fast, e.g. after 2.5 hours for soil containing calcium perchlorate (Ca(ClO4)2) under the provided experimental conditions (25°C, 70–85% RH), and requires only small amounts of intergranular water. In contrast, the formation of larger amounts of bulk water requires substantially longer, e.g. 17 days for soil containing magnesium perchlorate (Mg(ClO4)2) under the same experimental conditions. This suggests that RSL on Mars do actually not represent flows of briny water but a rewetting of salt-cemented soils generated by the evaporation of water tracks that flowed down the hills at a time when Mars had a warmer and wetter climate. The brines that formed via deliquescence were too concentrated to enable growth of P. halocryophilus within them. However, an enhanced survivability with decreasing temperature was observed. This effect was most pronounced in calcium chloride (CaCl2) containing samples. Additionally, we found that the presence of sodium chloride (NaCl) is beneficial for the survival of P. halocryophilus during freeze/thaw cycles. To enable bacterial growth in these salty samples a dilution of the brines is necessary. Hence, the maximum salt concentration suitable for growth at 25°C and 4°C was determined for six Cl- and ClO4- salts. The results showed an increased CaCl2 tolerance of P. halocryophilus at 4°C compared to 25°C, while the tolerances to other salts were similar or lower at 4°C compared to 25°C. The highest ClO4- tolerance reported to date was found with 12 wt% NaClO4 at 25°C. Growth of P. halocryophilus under these salty conditions yielded serval stress responses like cell clustering, formation of nanofilaments, cell encrustation, and formation of different cell colony morphologies. Putting all together, this study provides important and coherent insights in the formation and habitability of brines as they might occur on Mars. The results of a large set of experiments give an impression on how life on Mars could have adapted to its cold and salty environmental conditions and what influence different salt species and variations in temperature and salt concentration might have.
Flüssiges Wasser ist eine der wichtigsten Voraussetzung für die Existenz von Leben auf dem Mars. Während Oberflächenstrukturen und geologische Funde darauf hindeuten, dass auf dem Mars einst größere Gewässer existierten, präsentiert sich der Planet heute als trocken, kalt und lebensunfreundlich. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass flüssiges Wasser nicht gänzlich von der Mars-Oberfläche verschwunden ist. So gibt es Hinweise auf flüssige Salzlösungen, sogenannte „Brines“, die zumindest temporär auf der Planetenoberfläche stabil sind. Die Wahrscheinlichkeit ihrer Existenz ist durch den Nachweis hygroskopischer Salze auf dem Mars noch einmal gestiegen, denn diese können in einem „Deliqueszenz“ genannten Prozess Wasser aus der dünnen Mars-Atmosphäre anziehen und sich in diesem Wasser auflösen. Es gibt Hinweise darauf, dass dieser Prozess bereits in Form von jährlich wiederkehrenden, dunklen Ablaufrinnen (Recurring Slope Lineae, RSL) beobachtet wurde. Für die vorliegende Dissertation wurden Experimente durchgeführt und ausgewertet, die sowohl das Verständnis für die Deliqueszenz-induzierte Entstehung von RSL vergrößern, als auch die sich bildenden Brines in Bezug auf ihre mikrobiologische Habitabilität untersuchen sollen. Es hat sich gezeigt, dass die bei der Bildung der RSL beteiligte Wasserabsorption hervorragend mit der elektrischen Leitfähigkeit des Bodens korreliert. Die Ergebnisse der Experimente haben verdeutlicht, dass die für RSL typische Verdunklung des Bodens sehr schnell einsetzen kann. So treten zum Beispiel im Falle von Ca(ClO4)2-haltigen Böden bereits 2,5 Stunden nach dem Start des Experiments (25°C, 70–85% Luftfeuchte) Verdunklungen auf. Dafür werden nur geringe Mengen intergranularen Wassers benötigt. Im Gegensatz dazu bedarf es deutlich mehr Zeit bis sich größere Flüssigkeitsmengen in Form von Tropfen herausbilden, im Fall von Mg(ClO4)2-haltigen Böden 17 Tage. Das lässt vermuten, dass RSL auf dem Mars keine Ströme flüssigen Wassers darstellen, sondern vielmehr nur das temporäre Feuchtwerden salz-zementierter Böden, die sich beim Verdunsten von Wasser bildeten, das einst floss, als der Mars ein wärmeres und nasseres Klima aufwies. Die Habitabilität von Brines wurde beispielhaft am Überleben und Wachstum des salz- und kältetoleranten Bakterienstammes Planococcus halocryophilus untersucht. Es stellte sich heraus, dass Brines, die sich durch Deliqueszenz bilden, zu stark konzentriert sind, um Wachstum von P. halocryophilus zu ermöglichen. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass dessen Überlebensrate deutlich ansteigt, wenn die Temperatur der Brines gesenkt wird. Dieser positive Effekt war am stärksten in CaCl2-haltigen Lösungen ausgeprägt. Außerdem stellte sich heraus, dass sich die Anwesenheit von NaCl positiv auf die Überlebensfähigkeit von P. halocryophilus während des wiederholten Einfrierens und Auftauens der Brines auswirkt. Um jedoch Zellwachstum in diesen Lösungen beobachten zu können, muss die Salzkonzentration reduziert werden. Daher wurde für sechs unterschiedliche Cl-- und ClO4- Salze bei 4°C und 25°C die maximale Salzkonzentration bestimmt, bei der noch bakterielles Wachstum nachgewiesen werden kann. Die Ergebnisse zeigten unter anderem, dass die CaCl2-Toleranz durch Herabsenken der Temperatur von 25°C auf 4°C merklich gesteigert werden kann, während die Toleranzen gegenüber der anderen Salze bei 4°C ähnlich oder gar geringer waren als bei 25°C. Zudem weist P. halocryophilus mit 12 Gew.% NaClO4 bei 25°C die höchste bisher beschriebene ClO4--Toleranz auf. Zellwachstum unter diesen salzigen Bedingungen führte zu interessanten Stressreaktionen, wie zum Beispiel zur Ausbildung von Zellclustern mit Nanofilamenten, Krustenbildung um einzelne Zellen oder die Herausbildung neuer Zellkolonie-Morphologien. All diese Funde und experimentellen Ergebnisse liefern einen entscheidenden Einblick in die Entstehung und die potentielle Habitabilität von Brines auf dem Mars. Sie vermitteln einen Eindruck wie sich Leben an die kalten und salzigen Bedingungen angepasst haben könnte und welchen Einfluss die unterschiedlichen Salztypen und Schwankungen in Temperatur und Salzkonzentration haben können.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9826
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8847
Exam Date: 12-Aug-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 2-Sep-2019
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): mars
brines
deliquescence
habitability
salts
Mars
Salzlösungen
Deliqueszenz
Habitabilität
Salze
Sponsor/Funder: EC/FP7/339231/EU/Habitability of Martian Environments: Exploring the Physiological and Environmental Limits of Life/HOME
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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