Funktionelle Komponenten in den EPS - extrazellulären polymeren Substanzen - der biofilmbildenden Laugungsbakterien Acidithiobacillus ferrooxidans und Acidithiobacillus ferrivorans

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Natascha Caroline Teubner

Dieses Projekt soll sich mit der Untersuchung von Biominingorganismen beschäftigen, um Mechanismen aufzuklären, die für die Adhäsion von Zellen und Bildung von Biofilmen verantwortlich sind. Diese Eisen- und/oder Schwefel-oxidierenden Mikroorgansimen sind von großer Bedeutung für die Umwelt und Industrie. Sie sind in der Lage die Oxidation von zweiwertigem zu dreiwertigem Eisen zu katalysiere und damit die Oxidation von Metallsulfiden zu ermöglichen. Dabei werden nicht nur Metalle in Lösung gebracht sondern auch der pH-Wert durch entstehende Säure herabgesetzt. Optimale Lebensbedingungen bilden sich für diese Organismen dort wo sulfidhaltige Mineralien in Kontakt mit Sauerstoff und Wasser kommen. Ein großes Umweltproblem, für welches diese Organismen hauptverantwortlich sind, ist die Entstehung von sauren Haldenabflüssen und Grubenwässern (Acid Mine Drainage, AMD). Sowohl in Deutschland als auch weltweit führt diese Problematik zur Versauerung von Grundgewässern und Kontamination mit gelösten Schwermetallen. Die Inhibition dieser Reaktionen an bestehenden oder künftigen Standorten, wie die Hinterlassenschaften von Tagebau- und Untertagebaubetrieben, würde die zukünftige Entstehung von AMD verhindern und bestehendes AMD reduzieren.
Gleichzeitig wird dieser als Biomining bekannte Prozess bereits seit mehreren Jahrzenten als Methode zur Gewinnung von Metallen aus Erzen verwendet. Er bietet viele umweltschonende Vorteile gegenüber dem kommerziellen Bergbau, unterliegt jedoch auch gewissen Einschränkungen. Weiterführend könnten künftig Biominingorganismen zur Gewinnung von Metallen aus Industriellenabfällen eingesetzt werden. Vor allem Untersuchung an Elektronik- und Elektroschrott haben gezeigt, dass in dieser biotechnologischen Anwendung großes Potential steckt, auch im Hinblick auf die Reduktion von industriellen und elektronischen Abfallprodukten und der Erhöhung der recycelbaren Ressourcen. Die Erhöhung des recycelten Abfalls würde zur Minimierung der Abfallmenge, Reduktion von benötigten Fördermengen und Umweltschutz durch umweltfreundlichere Methoden führen.
Trotz intensiver Forschung konnten viele Anheftungsmechanismen noch nicht vollständig aufgeklärt werden. Dies ist jedoch Grundvoraussetzung für deren Regulierung. In diesem Projekt sollen die drei Organismen Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus ferridurans und Acidithiobacillus ferrivorans untersucht werden. Diese sind in verschiedenen Klimazonen mit verantwortlich für die AMD-Problematik und finden Einsatz in der Laugung von Deckerzen. Außerdem konnte At. ferrooxidans in Laborarbeiten erfolgreich zur Gewinnung von Metallen aus Elektroschrott eingesetzt werden.
Beide Organismen zeigen sowohl Potential zur Optimierung als auch zur Inhibition. Die Bildung von Biofilmen und Anheftung an Oberflächen ist bei beiden Organismen gegeben. Die Auflösung des Minerals findet im Biofilm selbst statt. Aus diesem Grund sollen in diesem Projekt die den Biofilm bildenden extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) untersucht werden. Von diesen ist sowohl der Laugungsvorgang als auch die Anheftung an die Mineralienoberfläche abhängig. Besonderes Interesse soll dabei auf der proteomischen Analyse der EPS-Proteine liegen.
Die drei Organismen At. ferrooxidans, At. ferridurans und At. ferrivorans sollen auf den Mineralien Pyrit, Chalcopyrit, Arsenopyrit, (Sphalerit) und elementarem Schwefel kultiviert werden. Es handelt sich bei diesen Mineralien um den Großteil der natürlich vorkommenden Erze, die durch Biominingorganismen gefördert werden.

Außerdem wird ein Vergleich der EPS-Komponenten in Abhängigkeit zu den unterschiedlichen Energiequellen ermöglicht, was eine Aufklärung zugrundeliegender Mechanismen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der sich aus der Diversität der Mineralien ergibt ist die Übertragung von aufgeklärten Mechanismen auf andere Anwendungsgebiete oder Organismen.
Finales Ziel ist durch die gewonnen Ergebnisse den gezielten Einsatz von oberflächenaktiven oder bioaktiven Substanzen zu ermöglichen.

Förderzeitraum:
01.07.2014 - 30.06.2017

Institut:
Universität Duisburg-Essen
Fakultät für Chemie
Biofilm Centre, Aquatische Biotechnologie

Betreuer:
Prof. Dr. Wolfgang Sand

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