Das Projekt "Subproject 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Metabolomic Discoveries GmbH durchgeführt. Das Projekt DYNAMICS untersucht die Dynamik von industriellen Bioprozessen. Ziel ist es den Stoffwechsel und die Dynamik der Stoffwechselanpassungen besser zu verstehen, um industrielle Bioprozesse effizienter zu gestalten. Metabolomics, die Analyse aller Metabolite in einer biologischen Probe, ermöglicht umfassende Einblicke in die Physiologie und metabolischen Netzwerke unter den verschiedensten Bedingungen. Dabei werden bekannte und unbekannte Substanzen analysiert, charakterisiert und zusätzlich können diese auch quantifiziert werden. Hinter diesen Untersuchungen stecken hoch sensible, analytische Instrumente, wie Massenspektrometer (MS), die an Flüssig (LC)- oder Gaschromatographen (GC) gekoppelt sind. In diesem Vorhaben werden hochauflösende LC-MS und GC-MS parallel verwendet um das Metabolom nahezu vollständig abzudecken. Die Plattform erlaubt die Analyse von Molekülen mit molarer Masse von 50-1700 Da. Damit wird ein Molekülbereich von hochpolaren Verbindungen wie Aminosäuren oder Energieäquivalenten bis hin zu lipophilen Stoffen wie Phospholipide oder Fettsäuren abgedeckt. Bisher können ca. 30% der Metabolite annotiert werden. 70% der Metabolitpeaks sind unbekannte Substanzen. In dem Forschungsvorhaben sollen metabolische Flüsse und deren Dynamiken untersucht werden. Hierzu werden die von den Projektpartner 1, 2 und 4 generierten Proben auf ihre metabolische Zusammensetzung mit der umfassenden Metabolomicsplattform analysiert. Dies erlaubt die Detektion von ca. tausend Komponenten in Mikroorganismen. Die proprietäre, mehrere tausend Komponenten umfassende Metabolitdatenbank mit starken Fokus auf mikrobielle Metabolite, erlaubt die Identifikation derselbigen in den Proben. Unbekannte Metabolite können an Hand der akkuraten Masse (1-2ppm Massengenauigkeit) und Retentionszeit klassifiziert werden, hierbei helfen auch die Untersuchungen und Arbeiten der stabilen Isotopenmarkierung aus dem WP4 (Projektpartner 3).
Das Projekt "Wirkungen von Belastungen auf die Struktur, Dynamik und Funktionen von Mikroorganismengemeinschaften in dem Teiloekosystem Boden und in Sedimenten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von GSF - Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit GmbH, Institut für Bodenökologie durchgeführt. In diesem Vorhaben werden moegliche Wirkungen chemischer und physikalischer Belastungen (z.B. Austrocknung, Ueberflutung, pH-Aenderung, Schwermetall- und Pestizidbelastung) bei zwei unterschiedlichen Landnutzungsstrategien analysiert. Mit diesen Daten wird versucht eine oekotoxikologische Bewertung der Stoergroessen zu quantifizieren (die Bearbeitung erfolgt innerhalb des Querschnittsthemas 'Oekotoxikologie'). Zum einen wird die Zusammensetzung der Mikroorganismen-Gesellschaften (Struktur) in Boeden und deren Dynamik erfasst. Dazu sollen neue Methoden optimiert werden, die die Fettsaeuremuster der Phospholipide und Lipopolysaccharide als Zeigesubstanzen erfassen. Zum anderen wird der Boden und seine Mikroorganismen-Gesellschaften als 'organische Einheit' betrachtet, die ueber ihre Grenzflaechen Energie und Materie mit ihrer Umwelt austauscht. Die Abbauleistung der Mikroorganismen wird in Labor-'Modeloekosystemen' und Feldversuchen (die Bearbeitung erfolgt innerhalb des 'Forschungsverbund Agraroekosysteme Muenchen, FAM') ueber ihre Stoffwechselprodukte erfasst, die in geloester (NO3, DOC) oder gasfoermiger Form (N2O, CO2, CH4) den Boden verlassen oder aber als organische Substanz in ihm gespeichert werden (die Bearbeitung erfolgt innerhalb des Querschnittsthemas 'Huminstoffe in der Umwelt'). Durch gezielte Manipulationen der Organismenpopulation in Boeden werden positive Wirkungen fuer Oekosysteme induziert, um deren Nutzbarkeit zu erhalten oder um diese wieder herzustellen (Regeneration). Fuer die Prognose und Bewertung von Langzeitwirkungen werden Simulationsmodelle angewendet, die die Stoffumsetzungen, insbesondere des Stickstoffs, im Boden prozessorientiert beschreiben.
Das Projekt "Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Gewinnung rekombinanter Phospholipase A2 zur umweltschonenden Herstellung von Phospholipiden im Industriemaßstab" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Halle-Wittenberg, Fachbereich Biochemie,Biotechnologie, Institut für Biotechnologie durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens:
Zur industriellen Gewinnung definierter Phospholipide verwendet man bisher chemische und zum Teil bereits enzymatische Methoden. Letztere basieren oft auf Enzymen aus Säugetieren, z. B. Phospholipase (PLA2) vom Schwein, die aus Sicherheitsbedenken (Virus- und Prioneninfektion) und religiösen Vor-behalten (bei jüdischer und moslemischer Religionszugehörigkeit) wenig Zukunft haben. Im Rahmen des Vorhabens wurde daher die Entwicklung eines Verfahrens zur Gewinnung von rekombinanter PLA2 angestrebt. Dieses Enzym soll die gegenwärtig verwendete PLA2 ersetzen und außerdem die Basis bilden für neue enzymatische Reaktionen (Re- bzw. Transacylierung von Phospholipiden), die die zz. praktizierten chemischen Verfahren ersetzen und somit energie- und umweltfreundlicher gestalten sollen.
Fazit:
Die beiden Hauptziele des Projekts wurden erreicht. Es wurde ein Verfahren zur Herstellung einer PLA2 entwickelt, das ohne den Kontakt mit tierischen Geweben auskommt und zur Gewinnung von Lysophospholipiden sehr gut geeignet ist. Verhandlungen zur Überführung in die Industrie wurden aufgenommen. Noch zu prüfen ist die Frage der Toxizität der neuen Enzyme.
Durch die zur Analyse der Reacylierungssysteme verwendeten Methoden der statistischen Versuchsplanung wurden Grundlagen für eine umfassende Beschreibung und Optimierung dieser Systeme gelegt. Im Vergleich der beiden Enzyme, die für eine industrielle Anwendung in Frage kommen (PLA2 aus Schweinepankreas und PLA2 aus Bienengift), erwies sich erstere hinsichtlich der erreichbaren Produktausbeuten als überlegen.
Das Projekt "Biobasierter Korrosionsschutz für Metallwerkstoffe durch Analoga von mikrobiellen Exopolymeren aus nachwachsenden Rohstoffen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts durchgeführt. Projektziel: Mikrobielle Biofilme und bakterielle extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) können Korrosion sowohl verstärken als auch unterdrücken. Beide Effekte werden durch die Wechselwirkungen zwischen Werkstoff und insbesondere den EPS beeinflusst, wobei die chemische Zusammensetzung der EPS über Schad- oder Schutzwirkung und das jeweilige Ausmaß entscheidet. Ähnlich zu klassischen Grenzflächeninhibitoren werden für EPS einige funktionelle Endgruppen wie Carboxylate, Sulfate oder Phosphate als maßgeblich für die Wechselwirkung diskutiert und scheinen auch für die Adsorption der EPS und der dadurch vermittelten Zelladhäsion entscheidend zu sein. Darauf basierend sollte die Unterdrückung der Zelladhäsion durch gezielte, selektive Blockade von anodischen und/oder kathodischen Zentren der Werkstoffoberfläche durch geeignete Substanzen und Ausbildung eines Schutzfilmes möglich sein - vergleichbar der Maskierung von 'aktiven Stellen' durch spezifisch adsorbierte Grenzflächeninhibitoren. Auch sollte die Zelladhäsion durch Blockade der bakteriellen Chemotaxis zu Eisenionen hin erfolgen können, wenn die Ionen durch geeignete Substanzen maskiert werden. Als viel versprechende biogene polymere Substanzen haben sich einige bereits in eigenen Arbeiten untersuchte EPS herausgestellt. Weitere biogene Substanzen wie Dextrane und Saccharide oder auch Substanzgemische sind ebenfalls nachweislich zum Schutz von Metallwerkstoffen vor abiotischer Korrosion und sogar partiell vor chloridinduziertem Lochfraß brauchbar. Die Wirkmechanismen werden i.d.R. nicht diskutiert, wobei die chemischen Strukturen dieser Naturstoffe auf starke und gerichtete Wechselwirkungen mit den Substraten schließen lassen. In eigenen Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass chemisch modifizierte Cyclodextrine als Adsorbate auf unlegiertem Stahl eine Verminderung des Massenverlustes bei MIC von bis zu 84Prozent bewirkten. Neben dieser Substanzgruppe sollen Phospholipide, bakterielle EPS und weitere noch zu identifizierende biogene Substanzen als Grundlagen für ein innovatives Schutzkonzept für Metallwerkstoffe gegen Biokorrosion und abiotische Korrosion untersucht werden.
Das Projekt "Schadensfrueherkennung bei Fichten durch chemische und mikromorphologische Untersuchungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Wien, Institut für Angewandte Botanik, Technische Mikroskopie und Organische Rohstofflehre durchgeführt. Im Rahmen systematischer Untersuchungen an Fichtennadeln unterschiedlichen Jahrgangs und Schaedigungsausmasses wurde den vermuteten Aenderungen der Stoffumsaetze vor allem der ungesaettigten Fettsaeuren von Lipiden durch Einwirkung von Photooxydantien nachgegangen. Dabei steht als gesichertes Ergebnis aus mehreren Gebieten im Nahbereich verschiedener Schadstoffemmitenten fest, dass geschaedigte sowie aeltere Nadeln einen wesentlich geringeren Gehalt an Gesamtfettsaeuren aufweisen. Vor allem die Menge an laengerkettigen ungesaettigten Fettsaeuren nimmt ab, hingegen ist ein vermehrtes Auftreten kuerzerkettiger gesaettigter Fettsaeuren beobachtbar. Die saeulen- und gaschromatographische Auftrennung der Nadelextrakte nach steigender Schadstufe und zunehmender Seneszenz in Lipidklassen laesst eine Abnahme der Phospho- und Glykolipide, im besonderen aber der Cholesterylester erkennen, waehrend der Gehalt an freien Fettsaeuren, Mono-, Di- und Triglyceriden steigt. Das verminderte Vorkommen ungesaettigter Fettsaeuren in geschaedigten Bestaenden geht primaer auf einen Rueckgang der Cholesterylester zurueck. Wie es scheint, kommt den Sterolen eine bedeutende Rolle im Verlauf der Schadprozesse zu. Parallel dazu erfolgen lichtmikroskopische Untersuchungen an aus unfixiertem Material hergestellten Gefrierschnitten, wobei geschaedigte Nadeln einen roten Farbstoff in den Schliesszellen der Stomata sowie im Zentralzylinder einlagern. Dabei duerfte es sich um Gerbstoffe handeln, die aus Phenolen durch Einfluss von Photooxydantien entstehen.