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Teilvorhaben 1: N2-Umsetzer und MALDI-TOF/MS Analytik

Das Projekt "Teilvorhaben 1: N2-Umsetzer und MALDI-TOF/MS Analytik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V., Abteilung Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Die Gewinnung von Biogas aus nachwachsenden Roh- und landwirtschaftlichen Reststoffen ist wesentlicher Baustein einer nachhaltigen und CO2-neutralen Energieerzeugung. Verantwortlich für den anaeroben Abbau der Biomasse zu Biogas ist eine komplexe und dynamische Mikroflora bestehend aus einer Vielzahl von Bakterien und Archaeen. Die Mehrheit der beteiligten Mikroorganismen ist ebenso wie ihre Stoffwechselleistungen bislang nicht wissenschaftlich untersucht. Die Kenntnis der Biogas-Mikrobiologie wird jedoch als Schlüssel für die weitere technologische Optimierung der Biogasproduktion angesehen. Zur Aufklärung der mikrobiologischen Zusammenhänge gewinnen Hochdurchsatztechnologien zur DNA-Analyse zunehmend an Bedeutung. Jedoch sind die hiermit erhaltenen Datenmengen bislang nur ansatzweise auswertbar, da es häufig an Referenzdaten mangelt. Um die Hochdurchsatz-DNA-Analytik auch für die Biogasforschung zu erschließen, soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eine Referenzdatensammlung für das Kern-('core') Mikrobiom von Biogasanlagen aufgebaut werden. 1. Auswahl und Beprobung von repräsentativen Biogasanlagen; 2. Etablierung neuartiger Verfahren zur Isolierung von Mikroorganismen aus Biogasreaktoren und Gewinnung von Isolaten; 3. Sequenzierung der Genome der Isolate und bioinformatische Auswertung; 4. Aufbau einer Referenzdatenbank für den Kernbestand an Mikroorganismen; 5. Etablierung einer zeitnahen Diagnostik des Reaktorzustandes mittels MALDI-TOF MS

Teilvorhaben 3: Acido- und acetogene Bakterien

Das Projekt "Teilvorhaben 3: Acido- und acetogene Bakterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Mainz, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung durchgeführt. Der anaerobe Abbau von Pflanzenmaterial verläuft formal in vier Stufen, die in eine hydrolytische, acidogene, acetogene und methanogene Stufe eingeteilt werden können. Es soll eine komplettes Mikrobiom von Nawaro Biogasanlagen, die mit unterschiedlichen Substraten bestückt werden, im Laufe des geplanten Kooperationsprojektes erstellt werden. Dieses ehrgeizige Ziel lässt sich nur durch Kooperation von mehreren Arbeitsgruppen und Industriepartnern erreichen. Das Ziel unserer Arbeitsgruppe im Rahmen dieses Kooperationsprojektes ist die Isolierung und Charakterisierung von acidogenen und acetogenen Bakterien in laufenden Biogasanlagen, die mit Mais als Substrat betrieben werden. (1) 5 verschiedene mit Mais betriebene Biogasanlagen werden beprobt. Mit Hilfe anaerober Kulturtechniken werden Bakterien isoliert, die die aus Cellulose und Hemicellulose freigesetzten Zucker in Säuren und Alkohole umwandeln. (2) Eine weitere Gruppe von Bakterien, die die gebildeten Säuren und Alkohole in methanogene Substrate (Acetat, H2, CO2) umwandelt, soll ebenfalls isoliert werden. (3) Aus ausgewählten Isolaten wird die DNA gereinigt und für die Metagenomanalysen zur Verfügung gestellt. (4) Es werden biochemische und physiologische Untersuchungen durchgeführt, um das Potential der Isolate zur Beschleunigung des Abbaus von Pflanzenmaterial oder zur Problembehebung zu ermitteln. (5) Vorhandene methanogene Isolate aus Biogasanlagen werden ebenfalls für die Metagenomanalysen zur Verfügung gestellt.

Teilprojekt 1: Mikrobielle Biodiversität

Das Projekt "Teilprojekt 1: Mikrobielle Biodiversität" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie e.V., Hans-Knöll-Institut, Abteilung Zell- und Molekularbiologie durchgeführt. Das Vorhabensziel betrifft die Aufklärung der mikrobiellen Diversität in Fisch und Meeresfrüchten (Muscheln, Krebstiere) unter verschmutzten Bedingungen in der Jakarta Bay. Die mikrobielle Diversität umfasst Bakterien, Pilze, Protisten und andere Mikroorganismen in einer für die Fischerei wichtigen, nicht-migrierenden Fischart, einer Krustentier Spezies und einer relevanten Muschelart und entsprechenden Kontrollen (z. Bsp.: Wasserproben in verschmutzten und sauberen Meeresregionen). Ein gegenwärtig wichtiger Aspekt ist dabei zu zeigen, ob innerhalb des Core-Microbioms/Metagenoms pathogene Mikroben gefunden werden, und wo diese Mikroben taxonomisch zugeordnet werden können (OTUs). Ein weiteres Projektziel betrifft die Ausbildung, Erfahrungsaustauch (wissenschaftlich, technisch und wirtschaftlich) und Verbreitung relevanter Resultate durch Publikationen, Datenbanken, Vorträge, etc. Die Arbeitsplanung solch komplexer Zielstellungen beinhaltet mehrere relevante Komponenten. Das erste Einsammeln von geeigneten Proben ist bereits zu Beginn des Projekts geplant (deutsche und indonesischen Partner). Die Tiere sollen aus verschiedenen Regionen der Jakarta Bay gesammelt werden. Nach Eintreffen der Proben, werden Nukleinsäuren isoliert, amplifiziert und mittels modernsten Sequenziertechnologien sequenziert und analysiert. Die in silico Analysen der Sequenzdaten in Hinsicht Mikrobiom, Metagenom, Pathogenanalysen sind sehr aufwendig und werden bis Ende der Projektzeit andauern.

Teilvorhaben 2: Genomsequenzierung und CORE-Datenbank

Das Projekt "Teilvorhaben 2: Genomsequenzierung und CORE-Datenbank" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bielefeld, Centrum für Biotechnologie durchgeführt. Die Gewinnung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen und landwirtschaftlichen Reststoffen ist wesentlicher Baustein einer nachhaltigen und CO2-neutralen Energieerzeugung. Verantwortlich für den anaeroben Abbau der Biomasse zu Biogas ist eine komplexe und dynamische Mikroflora bestehend aus einer Vielzahl von Bakterien und Archaeen. Die Mehrheit der beteiligten Mikroorganismen ist ebenso wie ihre Stoffwechselleistungen bislang nicht wissenschaftlich untersucht. Die Kenntnis der Biogas-Mikrobiologie wird jedoch als Schlüssel für die weitere technologische Optimierung der Biogasproduktion angesehen. Zur Aufklärung der mikrobiologischen Zusammenhänge gewinnen Hochdurchsatztechnologien zur DNA-Analyse zunehmend an Bedeutung. Jedoch sind die hiermit erhaltenen Datenmengen bislang nur ansatzweise auswertbar, da es häufig an Referenzdaten mangelt. Um die Hochdurchsatz-DNA-Analytik auch für die Biogasforschung zu erschließen, soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eine Referenzdatensammlung für das Kern- ('core') Mikrobiom von Biogasanlagen aufgebaut werden. (1) Auswahl und Beprobung von repräsentativen Biogasanlagen, (2) Gewinnung von Isolaten für cellulolytische, acidogene, acetogene und stickstoffumsetzende Bakterien sowie für methanogene Archaea, (3) Etablierung neuartiger Verfahren zur Isolierung von Mikroorganismen aus Biogasreaktoren, (4) Sequenzierung der Genome der Isolate und bioinformatische Auswertung, (5) Sequenzierung von Metagenomen von Biogasanlagen.

Teilvorhaben 4: Methanogene Archaea

Das Projekt "Teilvorhaben 4: Methanogene Archaea" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule für angewandte Wissenschaften Hamburg, Forschungsschwerpunkt Umwelt- und Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Im Rahmen des FNR-Verbundprojektes 'Genom-Sequenzierung von Isolaten aus Biogasanlagen und Mapping von Metagenom-Datensätzen' sollen ausgewählte, wichtige Bakteriengruppen aus Biogasanlagen isoliert und charakterisiert werden. Durch Abgleich der Daten und Aufbau einer Referenzdatenbank soll der typische Kernbestand an Mikroorganismen für ein Substrat oder Substratgemisch, das 'Biogas Core-Mikrobiom' gesucht werden. Dabei sollen Markerproteine als auch Markerorganismen für interessante Prozesszustände, wie beispielsweise stabil - instabil, gefunden werden. Daran angeschlossene Industriepartner sollen anschließend ausgesuchte Isolate im Rahmen einer Bioaugmentation testen. Durch die Kombination zwischen Grundlagenforschung (Stammentwicklung, Genomanalyse) und Anwender wird der Grundstein für eine effektive Verwertung der erhaltenen Ergebnisse gelegt. Die HAW Hamburg ist für die Gruppe methanogenen Archaea zuständig, für die ein neuartiger, leistungsfähiger Methanbildner oder eine Symbiontenkultur gefunden werden soll, insbesondere auch thermophile Vertreter. Bei den Substraten liegt der Fokus auf Rüben bzw. Rübensilage (reich an leicht abbaubarem Zucker und Stärke) bzw. Mais und Gras. Ausserdem soll für alle Verbundteilnehmer gemeinsam eine Mais-Biogasanlage mit hohem Durchsatz beprobt werden. Es soll an der HAW eine optimierte anaerobe Anreicherungskulturtechnik mit relativ geringem apparativen Aufwand zur Anwendung kommen, ferner als Vor-Selektionsmethodik werden mikroskopische Bildanalysen eingesetzt (an der HAW entwickelte QMF-Technik, d.h. Quantitative Microscopic Fingerprinting). Dabei spielen bioinformatische Auswertungsverfahren, wie Korrelationsanalysen, eine wichtige Rolle.

Teilprojekt 1: Untersuchungen zur Evolution von medizinisch bedeutsamen Antibiotikaresistenzen in der Umwelt

Das Projekt "Teilprojekt 1: Untersuchungen zur Evolution von medizinisch bedeutsamen Antibiotikaresistenzen in der Umwelt" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Hydrobiologie, Professur für Limnologie (Gewässerökologie) durchgeführt. Das Projekt zielt (1) auf ein besseres Verständnis der Dynamik von Antibiotika-Resistenzgenen im Abwasser sowie (2) die Entwicklung effizienter Technologien zur Reduzierung von Keimzahlen und Antibiotika-Rückständen im Europäischen Abwasser ab. Die Arbeitsgruppe der TU Dresden entwickelt ein konzeptionelles ökologisches Modell, welches den Prozess des Gentransfers sowie den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Ausbreitung resistenter Bakterien in Fließgewässern beschreibt. Die Arbeitsgruppe ist weiterhin mit der praktischen Detektion und Quantifizierung von Antibiotika-Resistenzgenen im Abwasser sächsischer Kläranlagen beschäftigt.

Teilvorhaben 5: Hydrolytische Bakterien

Das Projekt "Teilvorhaben 5: Hydrolytische Bakterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Institut für Botanik und Mikrobiologie, Lehrstuhl für Mikrobiologie durchgeführt. 1. Ziele: Die Gewinnung von Biogas aus nachwachsenden Roh- und Reststoffen ist wesentlicher Baustein einer nachhaltigen und CO2-neutralen Energieerzeugung. Die für die Biogasgewinnung verantwortliche Mikroflora und ihre Stoffwechselleistungen sind bislang überwiegend nicht wissenschaftlich untersucht. Dies ist jedoch der Schlüssel für die Optimierung der Biogasproduktion. Zur Aufklärung der mikrobiologischen Zusammenhänge sind die erhaltenen Datenmengen aus Mangel an Referenzdaten nicht gut auswertbar. Um moderne DNA-Analytik auch für die Biogasforschung zu erschließen, soll eine Referenzdatensammlung für das Kern- ('core') Mikrobiom aufgebaut werden. 2. Arbeitsplanung: (1) Auswahl und Beprobung von repräsentativen Biogasanlagen; (2) Gewinnung von Isolaten für cellulolytische, acidogene, acetogene und stickstoffumsetzende Bakterien sowie für methanogene Archaea; (3) Etablierung neuer Verfahren zur Isolierung von Mikroorganismen aus Biogasreaktoren; (4) Sequenzierung der Genome der Isolate und bioinformatische Auswertung; (5) Sequenzierung von Metagenomen; (6) Datenabgleich und Aufbau einer Referenzdatenbank für das Core-Mikrobiom; und (7) Etablierung einer zeitnahen Diagnostik des Reaktorzustandes mittels MALDI-TOF/MS. Dies soll neue Erkenntnisse zur Biogas-Mikrobiologie liefern. Die entwickelte Referenzdatenbank wird ein wesentlicher Baustein für die effektive Anwendung von OMIK-Technologien zur weiteren Analyse und Optimierung der Biogas-Mikrobiologie sein.

Die Evolution von Parasitismus in phytoplanktoninfizierenden Flagellatenpilzen

Das Projekt "Die Evolution von Parasitismus in phytoplanktoninfizierenden Flagellatenpilzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Uppsala University, Department of Organismal Biology durchgeführt. Flagellatenpilze (Chytridiomycota) sind eine Gruppe evolutiv früh abzweigender, zoosporischer Pilze, die in verschiedensten aquatischen und terrestrischen Lebensräumen vorkommen. Sie leben entweder als Saprophyten, Parasiten oder als intermediäre Formen. Bei allen Formen haften sich freischwimmende Zoosporen an Detritus oder einen Wirt und extrahieren Nährstoffe unter Bildung eines Sporangiums, welches neue Zoosporen hervorbringt. Aufgrund ihrer geringen Größe und unscheinbaren morphologischen Merkmalen blieben die Zoosporen in Untersuchungen mariner und limnischer Planktongemeinschaften für viele Jahrzehnte nahezu unentdeckt. Molekularbasierende Methoden jüngster Zeiten haben jedoch eine hohe Abundanz sowie Diversität der Flagellatenpilze in aquatischen Lebensräumen aufgedeckt. Einige Arten infizieren Phytoplankton, wie z.B. Blaualgen, Kieselalgen und Dinoflagellaten, so dass ihnen eine wichtige Rolle in der Kontrolle von Algenblüten zugeschrieben wird. Überraschenderweise ist der trophische Lebensstil nur für wenige kultivierte Arten beschrieben und die genomischen Innovationen, welche sich auf Infektionsstrategien der Phytoplanktonparasiten zurückführen lassen, sind völlig unbekannt, so dass eine Beurteilung der Ernährungsweise der Flagellatenpilze anhand (meta)genomische eDNA-untersuchende Umweltstudien nahezu unmöglich ist. Die phylogenetischen Beziehungen innerhalb der Flagellatenpilze, welche Informationen zu den Ursprüngen und der Verbreitung von Parasitismus innerhalb ökologisch verschiedener Entwicklungslinien liefern könnten, sind weitestgehend ungeklärt. In diesem Projekt möchte ich die molekularen Voraussetzungen für einen parasitischen Lebensstil in phytoplanktoninfizierenden Flagellatenpilzen aufdecken. Vergleichende Genomanalysen von vier phytoplanktoninfizierenden Flagellatenpilzarten mit nahe verwandten saprophytischen Arten sollen neue Erkenntnisse über die parasitismus-typischen genetischen 'Werkzeuge' erbringen (z.B. über parasitenspezifische Virulenzgene). Darüber hinaus plane ich einen stabilen phylogenetischen Baum für circa 40 Flagellatenpilzarten zu rekonstruieren, für welche der trophische Lebensstil bekannt ist. Phylogenomische Analysen unter Verwendung von fast 400 proteinkodierenden Genen, gewonnen aus öffentlich verfügbaren sowie in diesem Projekt neu angefertigten Genomen/Transkriptomen, werden es erlauben die frühen Diversifikationen der Flagellatenpilze zu entwirren. Die neu generierten Sequenzdaten werden außerdem nach den im ersten Teil des Projektes identifizierten Virulenzgenen abgesucht. Die phylogenetische Einordnung von Lebensstilen der Flagellatenpilze soll es ermöglichen den ursprünglichen Zustand diverser Gruppen zu charakterisieren und unser Verständnis über die Evolution von Parasitismus in phytoplanktoninfizierenden Flagellatenpilzen verbessern.

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