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Biologischer Abbau technisch relevanter Polymere und synthetischer Polymere

Das Projekt "Biologischer Abbau technisch relevanter Polymere und synthetischer Polymere" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Münster, Institut für Mikrobiologie durchgeführt. Polymere stellen eine sehr umfangreiche Gruppe chemischer Verbindungen dar, die verschiedenen Stoffklassen angehoeren. Sie kommen in aussergewoehnlich grossen Mengen in unserer Biosphaere vor. Es handelt sich dabei um Substanzen, die aus solchen Molekuelen aufgebaut sind, in denen eine Art oder mehrere Arten von Atomen oder Atomgruppierungen wiederholt aneinandergereiht sind. Polymere sind auch Hauptbestandteil der Kunststoffe. Hierbei handelt es sich um Materialien, deren wesentliche Bestandteile aus makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, die synthetisch oder durch Abwandeln von Naturprodukten oder durch biotechnologische Produktion entstehen. Der Abbau von Polymeren in Kunststoffen sowie von natuerlichen und synthetischen Kautschuken durch Bakterien und Pilze ist auf biochemischer und molekularer Ebene bisher wenig erforscht worden. Ein Verstaendnis der ablaufenden Vorgaenge koennte dazu beitragen, biotechnologische Verfahren zu entwickeln, solche polymeren Werkstoffe und Verpackungsmaterialien zu entsorgen oder in wiederverwertbare Substanzen zu ueberfuehren. Fuer wasserloesliche, technisch relevante Polymere ist die Kenntnis und ein Verstaendnis des Abbaus besonders wichtig, weil diese meist nicht rezyklisiert oder deponiert werden koennen. Darueber hinaus tragen Kenntnisse ueber die biologischen Abbaumechanismen dazu bei, polymere Materialien zu entwickeln, die gegenueber einem Abbau inert sind und die fuer besonders langlebige Anwendungen geeignet sind. Die am Abbau von aus Biosynthesen hervorgegangenen Polyamide, Poly(aepfelsaeure) und Naturkautschuk beteiligten Proteine sollen charakterisiert und deren Strukturgene kloniert werden. Daneben zielen Untersuchungen auch auf die Aufklaerung des mikrobiellen Abbaus synthetischer Polymere wie zB Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol oder Polyacrylsaeure sowie synthetischer Kautschuk ab.

Teilprojekt MIKRO: Räumliche Verteilung und Aktivität von mikrobiellen Lebensgemeinschaften in urbanen Böden

Das Projekt "Teilprojekt MIKRO: Räumliche Verteilung und Aktivität von mikrobiellen Lebensgemeinschaften in urbanen Böden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, Fachgebiet Umweltmikrobiologie durchgeführt. In Böden spielen Biofilme und bakterielle Aggregate eine große Rolle für die Struktur und die physiko-chemischen Eigenschaften der Bodenmatrix. Hierfür sind vor allem makromolekulare Substanzen verantwortlich, die von Mikroorganismen und Bodentieren produziert werden. Im vorliegenden Projekt soll das Vorkommen, die Struktur und Dichte, sowie die Bedeutung von mikrobiellen Biofilmen für die Wasser- und Stofflüsse in urbanen Böden untersucht werden, die im Hinblick auf Trockenheit, Schadstoff- und Salzeintrag häufig Extremstandorte darstellen. Bei den Untersuchungen an Feldproben soll mit mikroskopischen Methoden, in Verbindung mit molekularen Methoden (FISH), die Struktur und räumliche Verteilung der detektierbaren Bakteriengruppen ermittelt werden. Außerdem soll an suspendierten Bakterien aus der Bodenprobe mittels FISH die phylogenetische Diversität der vorhandenen Population bestimmt werden. Daneben werden aus den untersuchten Böden relevante Bakterienarten isoliert. Proben aus den experimentellen Bodensäulen sollen hinsichtlich der gleichen Parameter wie die Freilandproben untersucht werden, um in Kooperation mit den anderen Teilprojekten die kombinierten Effekte von Huminstoffen, Mikroorganismen und Bodentieren zu ermitteln. Ursächliche Zusammenhänge, die aufgrund der verschiedenen Untersuchungen an den Bodenproben vermutet werden, sollen dann in definierten Systemen (Biofilmreaktoren) weiter überprüft werden.

Wirkung ionisierender Strahlen auf organische Elemente biologischer Strukturen

Das Projekt "Wirkung ionisierender Strahlen auf organische Elemente biologischer Strukturen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Regensburg, Institut für Biophysik und Physikalische Biochemie durchgeführt. Traeger der Erbeigenschaften von Organismen sind Nukleinsaeuren und Nukleoproteine. Die genetische Wirkung ionisierender Strahlen auf diese makromolekularen Substanzen soll erforscht werden durch Untersuchung der Strahlenwirkung auf die organischen Untereinheiten, insbesondere Nukleinsaeurebasen, Nukleoside, Nukleotide und Peptide. Als Objekt dienen hauptsaechlich Einkristalle dieser Substanzen, deren dichte Packung der im Makromolekuel auftretenden gleicht. Untersucht werden moeglichste primaere Prozesse, der Strahlenwirkung und ihre Folgereaktionen, vor allem Erzeugung und Reaktionen freier Radikale. Als Untersuchungsmethoden dienen spektrometrische Methoden, in erster Linie Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie.

Leitende Polymermembranen zur selektiven Trennung und Foulingreduktion; Einfluss des Oberflächenpotentials von leitfähigen Polymermembranen (ZETA-Membran) auf das Fouling- und Trennverhalten in der Wasseraufbereitung

Das Projekt "Leitende Polymermembranen zur selektiven Trennung und Foulingreduktion; Einfluss des Oberflächenpotentials von leitfähigen Polymermembranen (ZETA-Membran) auf das Fouling- und Trennverhalten in der Wasseraufbereitung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Wasserressourcen und Wasserversorgung B-11 durchgeführt. Problemstellung: Membranfiltrationsverfahren erlebten in der Aufbereitungstechnik von Wässern in den vergangenen 20 Jahren einen starken Zuwachs. Trotz des steigenden Einsatzes bleibt ein Problemfeld kommerzieller Membranen die Anhaftung und die Adsorption deckschichtbildender Substanzen (sogenanntes Fouling). Das Fouling wird im Niederdruckbereich (Mikro- bzw. Ultrafiltation) vornehmlich durch Partikeln und Kolloide (kolloidales Fouling), sowie organische Makromoleküle (organisches Fouling) und Mikroorganismen (Biofouling) verursacht. Bei Hochdruckfiltrationsverfahren wie der Nanofiltration kommt es vornehmlich zur Adsorption gelöster organischer Substanzen sowie zu Biofouling. Maßnahmen zur Fouling Kontrolle reichen von der Vorbehandlung von Wässern, über die hydrodynamische Optimierung der Strömung im Membranmodul bis zur physico-chemischen Anpassung der Oberflächeneigenschaften der eingesetzten Materialien (größtenteils Polymere). Im letzteren Handlungsfeld möchte vorliegendes Forschungsvorhaben offene Fragestellungen zu Wirkzusammenhängen zwischen Ladungseigenschaften der Membranoberfläche, den resultierenden Fouling und Rückhalteverhalten aufklären. Vorgehensweise: Mittels ionengestützter Beschichtung, Plasma Immersions Ionenimplantation und Beschichtung (PBII&D) genannt, wird die Oberflächenleitfähigkeit herkömmlicher Polymermembranen gezielt erhöht. Entsprechend behandelte Membranen werden in verschiedenen wässrigen Lösungen durch definiertes Anlegen eines elektrischen Potentials (- 1,5 V bis 1,5 V) auf das resultierende Fouling- und Rückhalteverhalten hin untersucht. Die Versuchsergebnisse werden mit bekannten Transportmodellen (elektrokinetische Modelle) verglichen und ggf. werden Modellanpassungen durchgeführt. Diese Erkenntnisse werden dazu genutzt, ein Modell zu erstellen, das zur Simulation des Trennverhaltens bei verschiedenen Betriebsbedingungen genutzt werden kann. Ein besseres, umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenladung der Membran (Zetapotential) und resultierendem Fouling- bzw. Rückhalteverhalten könnte zur gezielten 'potentialgesteuerten Funktionalisierung' von Membranoberflächen eingesetzt werden.

Umweltbedingte subletale Veraenderungen der Membran lebender Zellen und dadurch bedingtes Eindringen biologisch aktiver Makromolekuele in diese Zellen

Das Projekt "Umweltbedingte subletale Veraenderungen der Membran lebender Zellen und dadurch bedingtes Eindringen biologisch aktiver Makromolekuele in diese Zellen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Medizinische Hochschule Hannover durchgeführt. Lebende Zellen des Menschen, der Tiere und z.B. der Mikroorganismen des Bodens haben eine Zellmembran, die sie von der Aussenwelt (ihrer Umwelt) abgrenzt. Abgrenzung und Schutz des Zellinneren - neben Versorgung und Entsorgung - ist die Aufgabe der Zellmembran. Auf diese Membran koennen von aussen kommende Stoffe einwirken und ihr Abschirmverhalten schwaechen ('Wegbereiter'). Schadstoffe und systemveraendernde Stoffe (genetic engeneering) koennen nun eindringen. - Im gegenwaertigen Vorhaben werden in-vitro-Medien und darin befindliche lebende Zellen als definiertes variierbares kuenstliches Modell eines Oekosystems verwendet, in dem das Verhalten definierter 'Wegbereiter' und 'Eindringlinge' erforscht wird.

Planktonische Archaeen - Phosphor Affinität und Aufteilung (PAPAA)

Das Projekt "Planktonische Archaeen - Phosphor Affinität und Aufteilung (PAPAA)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Academy of Sciences of the Czech Republic - Biology centre CAS durchgeführt. Dieses Projekt untersucht die Wege und Flüsse in der Wiederaufarbeitung von Nährstoffen im ozeanischen Oberflächenwasser durch die Quantifizierung der Phosphat-Affinität sowie der Freisetzung von organischen Phosphonaten und Phosphat-Estern durch den Modell-Organismus, Nitrosopumilus Maritimus, einem weit verbreiteten planktonischen Archaeon. Dieser Mikroorganismus spielt eine bedeutsame Rolle, sowohl im globalen Stickstoffkreislauf, da er sich zur Energiegewinnung auf die Umwandlung von wiederverwendetem Stickstoff (i.e., Ammonium) zu anorganischem Nitrit spezialisiert hat, als auch im globalen Kohlenstoffkreislauf, nachdem er anorganischen Kohlenstoff aufnimmt und in seine Zellstruktur integriert. Aufgrund des sehr geringen Volumens der einzelnen Zellen, könnte die hohe Phosphat-Affinität und Aufnahmekapazität gemeinsam mit dem Zugriff auf das Reservior von gelöstem organischem Phosphor (DOP), Nitrosopumilus Maritimus einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, in Regionen des Ozeans, in denen Phosphat-Limitierung vorherrscht. Die vorgestellte Studie wird die Rolle von N. Maritimus im Phophorkreislauf des Meeres untersuchen, indem die Aufnahme und Verteilung von Phosphor quantifiziert werden wird und neue Methoden zur Isolierung und chemischen Charakterisierung dazu verwendet werden Makromoleküle zu identifizieren die Phosphor enthalten. Im Detail, werde ich eine bestehende Methode, die auf der Bindung von Phosphor an ein Eisenoxid-Harz basiert, optimieren, um damit DOP aus dem Meerwassermedium zu isolieren und im Anschluss mit Hilfe von Flüssigkeitschromatographie/Tandem-Massenspektrometrie strukturell zu analysieren und komponenten-spezifisch zu quantifizieren. Die vorgestellte Methode zur DOP Characterisierung ermöglicht erstmals die Identifikation makromolekularer organisch-gebundener Phosphor Moleküle, gemeinsam mit den damit verbundenen Flüssen dieser Komponenten. Diese Erkenntnisse sind essentiell für die Untersuchung von Biosynthesewegen und biologischer Verfügbarkeit von DOP, welche bisher einen Widerspruch darstellen, der mikrobiologische wie auch geochemische Untersuchungen der räumlichen Verteilung und des Umsatzes von, in der Umwelt angereichertem, DOP erschwert. Zusätzlich zu diesen primären Zielen werden die kombinierten Ergebnisse dieser Studie auch Schätzungen von Zellhaushalt und Fluss von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor in Nitrosopumilus Maritimus ermöglichen, der eine spezifische Nische im Phosphorkreislauf der Meere einnehmen könnte.

Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Das Projekt "Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Göttingen, Göttinger Zentrum Geowissenschaften, Abteilung Geobiologie durchgeführt. Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

Teilprojekt E

Das Projekt "Teilprojekt E" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Chemie und Biologie des Meeres durchgeführt. Aus dem ubiquitär verbreiteten Phylum Bacteroidetes werden wichtige Mitglieder der Darmmikrobiome von Mensch und Tier rekrutiert. Im Darm kommt den Bacteroidetes spp. die physiologisch wichtige Aufgabe zu über pflanzliche Nahrung aufgenommene abundante Polysaccharide (Glykane) abzubauen. Glykane zeichnen sich gegenüber den anderen biologischen Makromolekülen durch die größte chemische Komplexität und rascheste evolutive Variabilität aus. Entsprechend umfangreich ist das enzymatische Repertoire von Glykan verwertenden Bakterien des Darms. Typische Endprodukte der Glykanverwertung sind organische Säuren wie Succinat und Propionat. Darüber hinaus gibt es deutliche Hinweise darauf, dass Bacteroidetes spp. zum Wohlbefinden von Mensch und Tier durch probiotische Peptide beitragen, sowie antibiotisch wirksame Peptide bilden. Vor diesem Hintergrund sollen im Rahmen des BaPro Gesamtvorhabens Bacteroidetes spp. erstmals in biotechnologischen Ansätzen eingesetzt werden, mit dem Ziel ausgewählte Stämme als Plattformorganismen zu entwickeln, um aus erneuerbarem organischem Material bioaktive Verbindungen (Phenole und Peptide) und Grundchemikalien (Succinat und Propionat) effizient und nachhaltig herzustellen. Zu diesem Zweck sollen zum einen bereits verfügbare Bacteroidetes Stämme aus dem menschlichen Darm und zum anderen neue Kulturen/Isolate aus verschiedensten Tierdärmen untersucht werden. Das Forschungsvorhaben des Antragstellers zielt darauf ab physiologische Grundlagen (Bioreaktoren) für vorhandene Isolate als potentielle neue Plattformorganismen und (meta)proteomische Grundlagen für diese Reinkulturen, aber auch für vielversprechende Neuisolate, Anreicherungskulturen, Tierkot und andere Umweltproben zu generieren.

Teilprojekt A

Das Projekt "Teilprojekt A" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz - Phytomedizin, Molekulare Phytomedizin durchgeführt. Pflanzenparasitäre Nematoden führen jedes Jahr weltweit zu großen Verlusten in der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion. Chemische Mittel sind in vielen Ländern - inklusive Deutschland - verboten und resistente oder tolerante Pflanzensorten, wenn erhältlich, lösen das Problem oft nicht ausreichend. Wir haben vor kurzem herausgefunden, dass Rhamnolipide (natürlich vorkommende mikrobielle Moleküle) sehr wirksam gegen Nematoden sind. In NemaContAnt wollen wir am System Zuckerrübe - Rübenzystennematode (Heterodera schachtii) zeigen, dass Rhamnolipide das Potential haben, in ein neues, maßgeschneidertes, biobasiertes und umweltfreundliches Produkt zur Nematodenkontrolle entwickelt zu werden. Durch das Projekt soll eine solide Basis erarbeitet werden, Rhamnolipide als Produkt in Folgeaktivitäten weiterzuentwickeln und einen Transferprozess in die Anwendung voranzubringen. Das Projekt wird von zwei Projektpartnern an der Universität Bonn (MPM) und der RWTH Aachen University (iAMB) durchgeführt. Am iAMB wird die Produktion von Rhamnolipiden verbessert. Dabei wird angestrebt, die Produktausbeute zu erhöhen, die Rhamnolipide strukturell zu diversifizieren und die Reinigung der Moleküle zu optimieren. Der Einsatz von Melasse, einem biologischen, erneuerbaren Rohstoff aus der Zuckerraffinerie zur Produktion von Rhamnolipiden wird erprobt und optimiert. Es erfolgt eine ökonomische Bewertung des Produktionsprozesses. Am MPM werden die vom iAMB hergestellten Rhamnolipide auf ihre Wirksamkeit gegen den Rübenzystennematoden Heterodera schachtii und ihren Einfluss auf die Wirtspflanze untersucht und bewertet. Dadurch soll das vielversprechendste Molekül identifiziert werden. Untersuchungen zur Aufklärung des Wirkungsmechanismus werden durchgeführt und der Einfluss von Rhamnolipiden auf Nicht-Zielorganismen im Pflanzen-assoziierten Mikrobiom wird bestimmt. Es erfolgt ein stetiger Informationsaustausch zwischen den Partnern, um einen optimalen Projektverlauf zu gewährleisten.

Teilvorhaben B

Das Projekt "Teilvorhaben B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Angewandte Mikrobiologie (Biologie IV) durchgeführt. Pflanzenparasitäre Nematoden führen jedes Jahr weltweit zu großen Verlusten in der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion. Chemische Mittel sind in vielen Ländern - inklusive Deutschland - verboten und resistente oder tolerante Pflanzensorten, wenn erhältlich, lösen das Problem oft nicht ausreichend. Wir haben vor kurzem herausgefunden, dass Rhamnolipide (natürlich vorkommende mikrobielle Moleküle) sehr wirksam gegen Nematoden sind. In NemaContAnt wollen wir am System Zuckerrübe - Rübenzystennematode (Heterodera schachtii) zeigen, dass Rhamnolipide das Potential haben, in ein neues, maßgeschneidertes, biobasiertes und umweltfreundliches Produkt zur Nematodenkontrolle entwickelt zu werden. Durch das Projekt soll eine solide Basis erarbeitet werden, Rhamnolipide als Produkt in Folgeaktivitäten weiterzuentwickeln und einen Transferprozess in die Anwendung voranzubringen. Das Projekt wird von zwei Projektpartnern an der Universität Bonn (MPM) und der RWTH Aachen University (iAMB) durchgeführt. Am iAMB wird die Produktion von Rhamnolipiden verbessert. Dabei wird angestrebt, die Produktausbeute zu erhöhen, die Rhamnolipide strukturell zu diversifizieren und die Reinigung der Moleküle zu optimieren. Der Einsatz von Melasse, einem biologischen, erneuerbaren Rohstoff aus der Zuckerraffinerie zur Produktion von Rhamnolipiden wird erprobt und optimiert. Es erfolgt eine ökonomische Bewertung des Produktionsprozesses. Am MPM werden die vom iAMB hergestellten Rhamnolipide auf ihre Wirksamkeit gegen den Rübenzystennematoden Heterodera schachtii und ihren Einfluss auf die Wirtspflanze untersucht und bewertet. Dadurch soll das vielversprechendste Molekül identifiziert werden. Untersuchungen zur Aufklärung des Wirkungsmechanismus werden durchgeführt und der Einfluss von Rhamnolipiden auf Nicht-Zielorganismen im Pflanzen-assoziierten Mikrobiom wird bestimmt. Es erfolgt ein stetiger Informationsaustausch zwischen den Partnern, um einen optimalen Projektverlauf zu gewährleisten.

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