Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Entwicklung eines kosteng\u00fcnstigen Fermentationsverfahrens zur biotechnologischen Herstellung bisher nicht erh\u00e4ltlicher Pilz-Mangan-Peroxidasen aus neuen Basidiomycetenst\u00e4mmen, Stabilisierung und Immobilisierung der Enzyme. Erprobung der Mangan-Peroxidasen als innovative Katalysesysteme f\u00fcr unterschiedliche umweltrelevante Einsatzgebiete, mit dem Ziel, neue Anwendungsfelder in der Papier- Textil- und holzverarbeitenden Industrie sowie bei der Eliminierung von Schadstoffen im Umweltbereich oder bei der Entsorgung persistenter Abprodukte im Produktionsproze\u00df zu erschlie\u00dfen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Herstellung von Pilz- Mangan-Peroxidasen erfolgt im R\u00fchrkesselreaktor in Submerskultur sowie in einem semikontinuierlichen Verfahren unter Nutzung von neuen Pilzkulturen, die auf polymeren Tr\u00e4gern fixiert sind. Die Auswahl der Pilze erfolgt unter den Gesichtspunkten Produktivit\u00e4t, Scherkraft-unempfindlichkeit und Isoenzymspektrum. Es ist vorgesehen, das Verfahren in Hinblick auf hohe Enzymausbeuten mit Hochleistungsst\u00e4mmen und unter Nutzung kosteng\u00fcnstiger Substrate zu optimieren. Ein Scale-up der Enzymproduktion wird bis zum 300 l Ma\u00dfstab durchgef\u00fchrt. Der Einsatz spezieller, aufwendiger R\u00fchrsysteme wird durch Verwendung von St\u00e4mmen mit geringerer Scherkraftempfindlichkeit vermieden. Die Enzymzusammensetzung der Pr\u00e4parate soll gezielt beeinflu\u00dft werden. Unter Anwendung verschiedener Methoden der Proteinchemie werden parallel dazu kosteng\u00fcnstige Schritte zur Reinigung der Enzyme entwickelt und Pr\u00e4parate f\u00fcr die anwendungs-orientierte Testung bereitgestellt. Zeitgleich mit den Arbeiten zur Herstellung der Mangan-Peroxidasen werden neue Anwendungsfelder erschlossen. Schwerpunkte hierbei sind Prozesse der Delignifizierung, die Testung der Abbaubarkeit von Problemstoffen im Umweltsektor. Durch sekund\u00e4re Mediatoren werden die Eigenschaften des Katalysesystems so modifiziert, da\u00df beispielsweise Mischkontaminationen, hoch konzentrierte oder sehr toxische Verbindungen umgesetzt werden; Anwendungsbereiche in denen lebende Mikroorganismen nicht zum Einsatz kommen k\u00f6nnen. Verfahren zur Immobilisierung der Manganperoxidase wurden entwickelt. Die katalytischen Eigenschaften des Enzyms sollten durch die Immobilisierung positiv beeinflu\u00dft werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Projektverlauf konnte ein effektives Verfahren zur Herstellung von Manganperoxidase unter Nutzung zweier Pilzst\u00e4mme aus der Ordnung Agaricales entwickelt werden. Die Induzierbarkeit der Enzymproduktion durch Manganionen setzt voraus, da\u00df diese im Kulturmedium erhalten bleiben und nicht als schwerl\u00f6sliches Mangandioxid aus dem System entfernt werden. Dem Produktionsmedium mu\u00df deshalb entweder ein geeigneter Chelator zugesetztwerden, oder man verwendet ein geeignetes Substrat, aus welchem der Pilz die notwendigen Chelatoren selbst herstellt. Acetat konnte als geeignete Kohlenstoffquelle ermittelt werden aus der der Pilz zus\u00e4tzlich den notwendigen Chelator in geeigneter Konzentration synthetisieren kann. Die Notwendigkeit zur Reduktion der Scherkr\u00e4fte, wie aus der Literatur bekannt, besteht nicht. Es konnten reproduzierbar Enzymausbeuten von 2000 U\/l, stammabh\u00e4ngig bis 3000 U\/l erreicht werden. Unter Einhaltung der ermittelten Verfahrensparameter konnte der Ma\u00dfstab ohne Einbu\u00dfe an Produktivit\u00e4t bis 300 l \u00fcbertragen werden. Das entwickelte Verfahren konnte an andere Produzentenst\u00e4mme mit modifiziertem Enzymspektrum angepa\u00dft werden.
\nDer Proze\u00df ben\u00f6tigt einen Zeitraum von 5-8 Tagen. Nach einer Wachstumsphase von 4 Tagen, in der die Biomasse zunimmt, setzt die Enzymbildung ein und h\u00e4lt ca. 4 Tage an. Danach wird das Produkt nach bekannten Verfahren (Crossflow-Filtration, Ultrafiltration, FPLC ) bis zur gew\u00fcnschten Qualit\u00e4t gereinigt. Als Nebenprodukt entsteht Oxalat, welches vom Pilz nicht weiter umgesetzt wird.
\nEs wurde eine zyklische Betriebsweise erprobt, mit dem Ziel, den produktiven Zustand des Pilzmycels \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum zu erhalten. Bei Anwendung von Acetat als Kohlenstoffquelle \u00e4ndert sich der pH-Wert des Mediums in charakteristischer Weise. Gekoppelt an diese pH-\u00c4nderung wurden zyklische Medienwechsel unter R\u00fcckf\u00fchrung des Mycels durchgef\u00fchrt. Die Phase h\u00f6chster Produktivit\u00e4t konnte so \u00fcber 10 Zyklen erhalten werden, wobei alle 2-3 Tage geerntet werden konnte. Auf diese Weise konnte die Raum-Zeit-Ausbeute verdreifacht werden.
\nDie gewonnenen Enzymrohpr\u00e4parate wurden in verschiedenen Anwendungsbereichen hinsichtlich ihrer Eignung getestet. Bei Prozessen der Delignifizierung innerhalb der Zellstoffherstellung wurde der Wei\u00dfgrad des Ausgangsmaterials (Kraftpulpe) durch Enzymbehandlung innerhalb von 48 Stunden gesenkt. Dabei wurde jedoch nur eine geringe Erh\u00f6hung der Kappazahl bewirkt. Eine Lignindepolymerisation wurde nachgewiesen. Es ist davon auszugehen, da\u00df die Bestimmung der Kappazahl durch die Entstehung von Braunstein (Mangandioxid) verf\u00e4lscht wird. Zudem wird davon ausgegangen, da\u00df das Enzympr\u00e4parat am Faserstoff bindet und dabei inaktiviert wird.
\nVerschiedene polychlorierte Dibenzodioxine und Dibenzofuranr\u00fcckst\u00e4nde in Kl\u00e4rschl\u00e4mmen konnten mittels Mangan-Peroxidase-Katalyse innerhalb von 48 Stunden um 50 % verringert werden.
\nEbenso konnte ein Gemisch aus TNT und Aminonitrotoluolen in spezifischen Standortw\u00e4ssern von mit R\u00fcstungsaltlasten kontaminierten Standorten mittels Mangan-Peroxidase effizient abgebaut werden. Im Gegensatz dazu waren vorhandene Hexogen- und Hexylkontaminationen schwieriger angreifbar. Bodenproben und w\u00e4ssrige Eluate, welche das Herbizid Hexachlorcyclohexan enthielten waren durch die Enzymkatalyse unter Einsatz verschiedener Mediatoren nicht zu dekontaminieren.
\nMit Hilfe der Mangan-Peroxidase gelang es verschiedene Arsenkampfstoffe abzubauen. Mit besonders hoher Rate wurden Chlorvinylarsine umgesetzt (99 % in 30 Minuten), w\u00e4hrend Phenylarsine vergleichsweise langsam abgebaut wurden. Die Umsetzung arsenorganischer Verbindungen erfolgt ausschlie\u00dflich in Gegenwart von organischen Schwefelverbindungen. Die persistente Verbindung Tributylzinn, konnte ebenfalls enzymatisch in Gegenwart des Tensids Tween 80 und Glutathion umgesetzt werden. Als Produkte des Tributylzinnabbaus entstanden Di- und Monobutylzinn. Verfahren zur Immobilisierung von Mangan-Peroxidase an anorganische Tr\u00e4ger wurden entwickelt. Damit gelang es folgende Eigenschaften des Enzyms zu verbessern: Stabilit\u00e4t gegen\u00fcber organischen L\u00f6sungsmitteln, Temperaturtoleranz, Aufweitung der optimale Arbeitsbereiche bez\u00fcglich Temperatur und pH-Wert.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ergebnisse des Projektes wurden in 3 Publikationen, einem Patent, 5 Vortr\u00e4gen, 3 Postern der \u00d6ffentlichkeit zug\u00e4nglich gemacht. Zwei weitere Publikation sind in Vorbereitung.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Projektzeitraum konnte die Zielstellung 30 l – Fermentation erreicht und auf 300 l erh\u00f6ht werden. Diese Arbeiten werden mit dem Ziel Kostensenkung fortgesetzt. Mit der zyklischen Betriebsweise konnte ein ebenfalls sehr effektives Verfahren erarbeitet werden. Mit den entwickelten Verfahren sind die Voraussetzungen f\u00fcr Anwendungstestungen im Pilotma\u00dfstab geschaffen. Anwendungsorientierte Testungen der gewonnen Enzympr\u00e4parate zeigten, da\u00df insbesondere hochtoxische R\u00fcckst\u00e4nde und Problemstoffe ein potentielles Anwendungsfeld sind. Die begonnenen Untersuchungen zur Delignifizierung in der Zellstoffherstellung m\u00fcssen weiter ausgebaut werden. Im Laufe des Projektes haben sich neue Anwendungsfelder ergeben, die weiter verfolgt werden. Die Anwendung der entwickelten Immobilisierungsverfahren f\u00fchrte zu tr\u00e4gergebundenen Enzympr\u00e4paraten mit deutlich verbesserten Eigenschaften. Diese Arbeiten werden unter dem Anwendungsaspekt fortgef\u00fchrt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Entwicklung eines kosteng\u00fcnstigen Fermentationsverfahrens zur biotechnologischen Herstellung bisher nicht erh\u00e4ltlicher Pilz-Mangan-Peroxidasen aus neuen Basidiomycetenst\u00e4mmen, Stabilisierung und Immobilisierung der Enzyme. Erprobung der Mangan-Peroxidasen als innovative Katalysesysteme f\u00fcr unterschiedliche umweltrelevante Einsatzgebiete, mit dem Ziel, neue Anwendungsfelder in der Papier- Textil- und holzverarbeitenden Industrie sowie bei der Eliminierung von Schadstoffen im Umweltbereich oder […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[47,71,52,53],"class_list":["post-20572","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-klimaschutz","tag-thueringen","tag-umweltforschung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"13663\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"A-13663.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"199.096,04","dbu_projektdatenbank_firma":"Friedrich-Schiller-Universit\u00e4t JenaBiologisch-Pharmazeutische Fakult\u00e4tInstitut f\u00fcr Angewandte und \u00d6kologische Mikrobiologie","dbu_projektdatenbank_strasse":"Philosophenweg 12","dbu_projektdatenbank_plz_str":"07743","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Jena","dbu_projektdatenbank_p_von":"1999-02-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2001-08-14 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"2 Jahre und 6 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"03641\/949338","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Th\u00fcringen","dbu_projektdatenbank_foerderber":"9","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/20572","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/20572\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":33575,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/20572\/revisions\/33575"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=20572"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=20572"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=20572"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}