Chapter 4
Molecular Biomineralization: Toward
an Understanding of the Biogenic Origin
of Polymetallic Nodules, Seamount Crusts,
and Hydrothermal Vents
Xiaohong Wang, Matthias Wiens, Heinz C. Schr€ oder, Ute Schloßmacher,
and Werner E.G. M€ uller
Contents
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Principles of Biomineralization in Marine Ore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4 Mineralization/Biomineralization Processes During Formation of
Polymetallic Nodules [Mn-Nodules]: Biologically Induced Mineralization . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1 Deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.2 Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.3 Microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.4 Bio-seedS . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . 87
4.4.5 Seeds: Bacterial S-Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.6 Biofilm Structures in Polymetallic Nodules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 90
4.4.7 Mineral Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.8 Approach to Determine Bacteria Species in the Mineralic Material . . . . . . . . . . . . 91
4.4.9 Manganese Depositing Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 Mineralization/Biomineralization Processes During Formation of (Co-rich)
Polymetallic Crusts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.1 Deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.2 Morphology of the Crusts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 97
4.5.3 Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.4 Coccolithophores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.5 Elemental Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.5.6 Bio-seeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.6 Mineralization/Biomineralization Processes
During Formation of Hydrothermal Vents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.7 Toward a Molecular Biomineralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
X. Wang (*)
National Research Center for Geoanalysis, 26 Baiwanzhuang Dajie, Beijing CHN-100037, China
e-mail: wxh0408@hotmail.com
W.E.G. M€ uller (*)
ERC Advanced Grant Research Group at the Institute for Physiological Chemistry, University Medical
Center of the Johannes Gutenberg University Mainz, Duesbergweg 6, D-55128 Mainz, Germany
e-mail: wmueller@uni-mainz.de
W.E.G. M€ uller (ed.), Molecular Biomineralization, Progress in Molecular
and Subcellular Biology 52, DOI 10.1007/978-3-642-21230-7_4,
# Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
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Molecular Biomineralization: Toward
an Understanding of the Biogenic Origin
of Polymetallic Nodules, Seamount Crusts,
and Hydrothermal Vents
Xiaohong Wang, Matthias Wiens, Heinz C. Schr€ oder, Ute Schloßmacher,
and Werner E.G. M€ uller
Contents
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Principles of Biomineralization in Marine Ore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4 Mineralization/Biomineralization Processes During Formation of
Polymetallic Nodules [Mn-Nodules]: Biologically Induced Mineralization . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1 Deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.2 Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.3 Microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.4 Bio-seedS . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . 87
4.4.5 Seeds: Bacterial S-Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.6 Biofilm Structures in Polymetallic Nodules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 90
4.4.7 Mineral Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.8 Approach to Determine Bacteria Species in the Mineralic Material . . . . . . . . . . . . 91
4.4.9 Manganese Depositing Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 Mineralization/Biomineralization Processes During Formation of (Co-rich)
Polymetallic Crusts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.1 Deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.2 Morphology of the Crusts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 97
4.5.3 Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.4 Coccolithophores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.5 Elemental Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.5.6 Bio-seeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.6 Mineralization/Biomineralization Processes
During Formation of Hydrothermal Vents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.7 Toward a Molecular Biomineralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
X. Wang (*)
National Research Center for Geoanalysis, 26 Baiwanzhuang Dajie, Beijing CHN-100037, China
e-mail: wxh0408@hotmail.com
W.E.G. M€ uller (*)
ERC Advanced Grant Research Group at the Institute for Physiological Chemistry, University Medical
Center of the Johannes Gutenberg University Mainz, Duesbergweg 6, D-55128 Mainz, Germany
e-mail: wmueller@uni-mainz.de
W.E.G. M€ uller (ed.), Molecular Biomineralization, Progress in Molecular
and Subcellular Biology 52, DOI 10.1007/978-3-642-21230-7_4,
# Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
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