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Aerobic mikrobielle Aktivität in der Tiefsee abyssal Ton

Meeressedimente enthalten schätzungsweise größer als 10^29 mikrobielle Zellen, welche bis zu 2.500 Meter unter dem Meeresboden vorkommen. Mikrobielle Zellen katabolisieren unter diesen sehr stabilen und geologisch alten Bedingungen bis zu einer Million mal langsamer als Modellorganismen in nährstoffreichen Kulturen und wachsen in Zeiträumen von Jahrtausenden, anstelle von Stunden bis Tagen. Aufgrund der extrem niedrigen Aktivitätsraten, ist es eine Herausforderung die metabolische Aktivität von Mikroorganismen unterhalb des Meeresbodens zu untersuchen. Die Transkriptionsaktivität von diesen mikroben kann seit Kurzem metatranskriptomisch untersucht werden, z.B. durch den Einsatz von Hochdurchsatzsequenzierung von aktiv transkribierter Boten-RNA (mRNA), die aus Sedimentproben extrahiert wird. Tiefseetone zeigen ein Eindringen von Sauerstoff bis zum Grundgebirge, welches auf eine geringe Sedimentationsrate im ultra-oligotrophen Ozean zurückzuführen ist. Der Sauerstoffverbrauch wird durch langsam respirierende mikrobielle Gemeinschaften geprägt, deren Zellzahlen und Atmungsraten sehr niedrig gehalten werden durch die äußerst geringe Menge organischer Substanz, die aus dem darüber liegendem extrem oligotrophen Ozean abgelagert wird. Die zellulären Mechanismen dieser aeroben mikroben bleiben unbekannt. Im Jahr 2014 hat eine Expedition erfolgreich Sedimentkerne von sauerstoffangereichertem Tiefseeton genommen. Vorläufige metatranskriptomische Analysen dieser Proben zeigen, dass der metatranskriptomische Ansatz erfolgreich auf die aeroben mikrobiellen Gemeinschaften in diesen Tiefseetonen angewendet werden kann. Wir schlagen daher vor diese Methode mit einem hohen Maß an Replikation, in 300 Proben von vier Standorten, anzuwenden. Dieser Einsatz wird es uns ermöglichen, Hypothesen in Bezug auf zelluläre Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens, mit einer beispiellosen statistischen Unterstützung, zu testen.Wir warden den aeroben Stoffwechsel, welcher die langfristige Existenz von Organismen in Tiefseetonen unterstützt, bestimmen, Subsistenzstrategien identifizieren in aeroben und anaeroben Gemeinden unterhalb des Meeresbodens, und extrazelluläre Enzyme und ihr Potenzial für den organischen Substanzabbau charakterisieren. Die folgenden Fragen werden damit beantwortet: Wie das Leben im Untergrund über geologische Zeiträume unter aeroben Bedingungen überlebt? Was die allgegenwärtigen und einzigartigen Mechanismen sind, die langfristiges Überleben in Zellen unter aeroben und anaeroben Bedingungen fördert? Was die Auswirkungen von Sedimenttiefe und Verfügbarkeit von organischer Substanz auf die mikrobielle Produktion von extrazellulären Hydrolasen unter aeroben und anaeroben Bedingungen sind? Dies wird sowohl ein besseres Verständnis dafür liefern, wie mikrobielle Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens verteilt sind und was ihre Rolle in biogeochemischen Zyklen ist, als auch wie das Leben über geologische Zeiträume unter extremer Energiebegrenzung überlebt.

Bioökonomie International 2024: ChloroBioRem - Bioaugmentation und Stimulierung der funktionellen Biodiversität in neuen Verfahrenskonzepten zur biobasierten Sanierung von Chlorethen-kontaminiertem Grundwasser

Aerober Abbau von Pikrinsäure (2,4,6-Trinitrophenol) durch Gram-positive Bakterien: Initiale Reaktionen der reduktiven Denitrierung und Ringöffnung

Die Verwendung von Pikrinsäure (2,4,6-Trinitrophenol) als Sprengstoff hat zu bedeutenden Umweltbelastungen geführt. Die Toxizität der Pikrinsäure (PA) und dessen mutagenes Reduktionsprodukt 2-Amino-4,6-Dinitrophenol schafft ein wirtschaftliches Interesse, die großen Mengen an PA in Altlasten und Abwasserströmen mikrobiologisch zu entfernen. Die Basis für die geplanten Arbeiten sind Bakterien der Gattungen Nocardioides und Rhodococcus, die über Reduktion des aromatischen Ringes und Bildung eines Hydrid-Meisenheimer (H-Pikrat) Komplexes PA als alleinige Stickstoffquelle verwenden. Zwei Enzyme aus Nocardioides simplex übertragen H von NADPH auf PA unter Bildung des H-Pikrat Komplexes. Teile der für den PA-Abbau vermeintlichen genetischen Information aus Rhodococcus opacus HL PM-1 wurden mit der Differential-Display-Technik gefunden. Ziel ist es, die Gene und Genfunktionen des gesamten PA-Abbauweges zu identifizieren und zu charakterisieren, sowie die biochemischen Kenntnisse zu vertiefen. Dies ist entscheidend für die Entwicklung von Systemen zur Entfernung von PA und für die Erschließung von neuartigen Degradationssystemen für TNT.

Mikrobieller Abbau von Nitrilotriacetat (NTA) unter aeroben und denitrifizierenden Bedingungen

Um die Eutrophierung von Oberflaechengewaessern zu verhindern, ist in der Schweiz Phosphat in Waschmitteln seit 1986 verboten. Ein Phosphatersatzstoff ist Nitrilotriacetat (NTA). Da NTA in grossen Mengen (nicht nur via Waschmittel) ins Abwasser gelangt, ist sein biologischer Abbau von primaerer Bedeutung. NTA wird durch Bakterien als Wachstumssubstrat verwendet und zu Biomasse, CO2 und NH4+ umgewandelt. In unserem Labor werden eine Reihe von NTA-abbauenden Bakterien isoliert, taxonomisch charakterisiert und die am Abbau von NTA beteiligten Enzyme isoliert. Das Wachstumsverhalten und die Regulation des Abbauverhaltens von NTA-verwertenden Bakterien wird sowohl im Labor als auch in Klaeranlagen (mit Hilfe von Immunofluoreszenzmarkierung und Diffusionskammern) untersucht. Die Resultate sollen die Voraussage des Abbaus von NTA in verschiedenen Oekosystemen erlauben, und Grundlagenwissen zum Abbau von Schadstoffen allgemein soll erarbeitet werden.

Präzise Charakterisierung des Verderbs von Silage anhand der Parameter: pH-Wert, Erwärmung, CO2-Abgabe, Milchsäureverluste und Pufferkapazität

Silagen sind weltweit die wichtigsten Futtermittel und Substrate für die Biogas-Erzeugung; allerdings sind sie durch aeroben Verderb gefährdet. Der Verderb kann durch die Temperatur, durch den pH-Wert und den CO2-Austritt erkannt werden. Allerdings hängen sowohl das grundlegende Verständnis und die Möglichkeit der Verlustminderung von den Kenntnissen der komplexen Zusammenhänge zwischen Mikrobiologie, pflanzlicher Zusammensetzung sowie von biochemischen, chemischen und physikalischen Zusammenhängen ab. In dem geplanten Projekt (i) sollen die wechselseitigen Effekte der Pufferkapazität auf den Silierungsprozess durch die Bestimmung der Hysterese der pH-Wert-Veränderung der drei Substratpflanzen (Mais, Weidelgras, Luzerne) während der Silierung und der Entnahmephase untersucht werden; (ii) eine neue in situ Methode für die CO2-Freisetzung auf der Basis der beiden Diffusionsgesetze entwickelt werden; (iii) durch die Aufzeichnung der Silage-Temperatur, -pH-Werte und CO2-Freisetzung unter Variation der Untersuchungsbedingungen ein mathematisches Modell (Courtin-Spoelstra-Modell) weiter entwickelt und validiert werden, das zur Vorhersage des aeroben Verderbs von Silagen entwickelt wurde. Schließlich sollen (iv) durch die Quantifizierung der Zusammenhänge geprüft werden, welcher Indikator (Temperatur, pH-Wert, CO2-Freisetzung) am sichersten für den aeroben Verderb und den Abbau der Milchsäure genutzt werden kann. Die Evaluierung der Punkt-Methode nach Flieg in allen Experimenten wird eine Bestätigung der Nutzbarkeit dieser Vorgehensweise zur Bestimmung der Silagequalität zulassen, nachdem auch die Pufferkapazität der Silage als substanzieller Kenntniszuwachs hierin integriert wurde.

Abbau von sulfonierten Azofarbstoffen

Azofarbstoffe stellen die mengenmaessig wichtigste Klasse an Farbstoffen dar. Jaehrlich werden mehrere hunderttausend Tonnen dieser Farbstoffe produziert und fuer die Faerbung von Papier, Leder, Textilien und anderen Artikeln verwendet. Die meisten industriell eingesetzten Azofarbstoffe enthalten neben der Azobindung 1-3 Sulfonsaeuregruppen und sind unter aeroben Bedingungen biologisch nicht abbaubar. Im Institut fuer Mikrobiologie wird daher versucht, eine Spaltung der Azobindung durch anaerobe Reduktion zu erreichen und diese anaerobe Vorbehandlung mit einem nachfolgenden aeroben Abbau der entstandenen sulfonierten Aminoaromaten zu verbinden. Hierdurch konnte an verschiedenen Modellverbindungen eine Mineralisierung sulfonierter Azofarbstoffe gezeigt werden. Die Kopplung der anaeroben und aeroben Verfahren wurde einerseits mit immobilisierter Biomasse in einem Bioreaktor oder mit suspendierten Zellen durch einen zweistufigen Anaerob/aerob-Prozess erreicht. Die Steigerung der anaeroben Reduktionsraten durch die Zugabe von redoxaktiven Chinonen wird derzeit eingehend untersucht, mit dem Ziel, die Raum-Zeit-Ausbeuten bei dem anaeroben Reduktionsprozess zu erhoehen. Des weiteren wird versucht, die Faehigkeit einiger hochgradig adaptierter Bakterien zur aeroben Reduktion von Azofarbstoffen zu nutzen, indem die Azoreduktasen kloniert und mittels genetischer Techniken fuer den Abbau industriell relevanter Azofarbstoffe optimiert werden sollen.

Diffuse CH4 und N2O Emissionen in der Abwasserbeseitigung

Bei der Abwasserbeseitigung führen aerobe undanaerobe Prozesse zum Abbau der organischen Abwasserinhaltsstoffe, wobei Treibhausgase, wie Methan (CH4) und Lachgas (N2O) entstehen können. Die Nutzung dieserProzesse zur weitergehenden Nährstoffelimination und Schlammbehandlung hat sich jedoch in der Abwasserbeseitigung bewährt und entspricht dem derzeitigen Stand der Technik. Allerdings ist die klimaschädigende Wirkung von CH4 und N2O hoch, was es erforderlich macht, die genaue Menge der in die Atmosphäre entweichenden Gase zu ermitteln. Hierzu soll zunächst die zum Thema bereits vorhandene Literatur ausgewertet und im Anschluss daran, und unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse, an repräsentativen Abwasserbehandlungsanlagen unterschiedlicher Größenklassen Messungendurchgeführt werden. Auf Basis der Ergebnisse sollen die nationalen Emissionen für Methan und Lachgas für die einzelnen Abschnitte der Abwasserbeseitigung in Deutschland abgeleitet werden (sowohl für den kommunalen als auch für den industriellen Bereich). Die dafür zu entwickelnden Emissionsfaktoren sind nachvollziehbar zu dokumentieren.

Analyse der Biodiversität Organophosphat (OP) abbauender Mikroorganismen zur Entwicklung biologischer Sanierungsstrategien für OPs (TCEP, TDCPP und OP-Pestizide)

Does traditional Alpine farming alter greenhouse gas emissions and C-turnover in remote mountain streams? (Marie Heim-Voegtlin Beiträge)

Because inland waters only cover a small portion (6-15%) of the terrestrial surface they are often not regarded as an important component of the global carbon (C) cycle. However, as part of the terrestrial landscape these active, rather than passive, conduits receive and transform substantial amounts of organic C. In fact, the global carbon dioxide (CO2) emissions from inland waters was estimated to be about 1.4 Gt C year-1 corresponding to about 50 % of the terrestrial C sink. Together with methane (CH4) this results in C emissions from inland waters that correspond to about 75 % of the terrestrial sink. However, there is a large degree of uncertainty in these estimates as most studies on rivers and streams have focused on CO2 emissions, with little research performed on CH4 emissions and turnover processes. Furthermore, studies on C-fluxes and turnover processes in small streams are highly under-represented. Thus, the overall objective of this proposal is to study the dynamics of C fluxes (CO2 and CH4), and the pathways of CH4 production in Alpine streams influenced by managed Alpine pastures, thereby adding another puzzle piece to the understanding of C-cycling in small streams It is still common in Switzerland to drive livestock up into the Alps for summer farming and grazing. However, the associated fecal and urine deposits may strongly influence the species composition of the vegetation in mountain meadows, the quality of soil organic matter and thus dissolved organic matter quality entering adjacent streams. Once the organic matter enters the stream in particulate and/or dissolved form, it will be degraded by microbes either aerobically or anaerobically (or both) while producing CO2 and CH4. CH4 can be produced via acetate fermentation or CO2 reduction. Which of these two pathway used for CH4 production depends on the quality and age of the organic matter. The effect of Alpine summer farming on C emissions (CO2 and CH4) and C turnover processes will be investigated in headwaters draining intensely farmed Alpine/subalpine pastures. A field study will be performed based on 1) a stable isotope approach, 2) resolving CH4 and CO2 fluxes, 3) investigating the CH4 production pathways and 4) changes in microbial communities.

FermKomp - Abgestimmte Effizienzsteigerung und Emissionsminderung der Feststofffermentation mit nachfolgender Kompostierung, Teilprojekt A: Charakterisierung der Materialeigenschaften von biogenen Reststoffen

In Deutschland werden ca. 12 Mio. t/a biologisch abbaubare Abfälle verschiedener Herkunft behandelt, davon ca. 4,6 t/a in Vergärungsanlagen. Aufgrund der störstoffunanfälligen Handhabung hat in den letzten Jahren vor allem die Vergärung in Garagenverfahren mit nachgeschalteter Kompostierung vermehrt Anwendung gefunden. Die anaerobe und aerobe Behandlung der Abfälle setzt eine Struktur voraus, die eine Perkolation von Flüssigkeiten bzw. die Durchdringung mit Luft ermöglicht. Unzureichende Strukturen bedeuten verringerten Abbau sowohl im aeroben als auch im anaeroben Bereich, in der Kompostierung kommen dann noch erhebliche Treibhausgasemissionen dazu. Im beantragten Vorhaben soll auf Basis einer optimierten Struktur der Abbau in beiden Verfahrensstufen verbessert sowie eine effiziente Abstimmung der Prozesse aufeinander demonstriert werden, die auch zu emissionsmindernden Effekten führt. Im Vorhaben sollen erstens Anforderungen (Materialeigenschaften) an die Substratmischungen ermittelt werden. Anschließend erfolgen mit den Mischungen in der zweiten Phase die Untersuchungen zur Effizienzsteigerung der Vergärungsstufe und die Untersuchungen einer emissionsarmen Kompostierung im Pilotmaßstab. Die Materialeigenschaften sind dabei gezielt durch Substratmischungen bzw. durch die Zugabe von Zuschlagstoffen einzustellen. Zur Validierung der Effekte in der Nachkompostierung werden Messungen an in der Praxis üblicherweise verwendeten Mieten durchgeführt, um die entweichenden Emissionen zu quantifizieren. Parallel erfolgen Messungen mit einer Methan-Messlanze, um mögliche Zusammenhänge zwischen Porenvolumen und Methanemission darzustellen und ein einfaches Messverfahren zur Prozessüberwachung zu entwickeln. Die Teilergebnisse werden zu einer Methode zusammengeführt, die auf Basis einer schnellen Substratcharakterisierung eine abbauoptimierte Prozessführung bei minimierten Emissionen ermöglicht.

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