Dissimilatorisch Eisenreduktion

Mikrobielle Brennstoffzelle

Acidophile Biofilme / Pyrit-Oxidation

Brennstoffzelle im Klärwerk

Strategien mikrobieller Chromresistenz

Die dissimilatorische Metallreduktion ist ein bakterieller Atmungsprozess, bei dem die Reduktion eines extrazellulären metallischen terminalen Elektronenrezeptors an die Energiegewinnung gekoppelt ist. Typische Elektronenakzeptoren in diesem Prozess sind Eisen (III), Mangan (IV), Chrom (VI) und Uran (VI).

Eisen ist das häufigste Metall, welches an Redox-Prozessen in der Erdkruste beteiligt ist. Im Gegensatz zu anderen terminalen Elektronenakzeptoren, die von Bakterien unter anoxischen Bedingungen genutzt werden, liegen reduzierbare Eisenspezies im Boden als feste kristalline Oxide vor und werden erst durch Reduktion in lösliche Formen überführt. Daher müssen Bakterien, die Energie aus der Übertragung von Elektronen auf Eisen gewinnen, diese auf einen unlöslichen Akzeptor übertragen. Eisen, welches durch diese reduktiven Prozesse gelöst wurde, stellt ein ökologisch bedeutsames  Spurenelement dar und kann wichtige abiotische Reduktionsreaktionen in der Umwelt einleiten, wie zum Beispiel die Reduktion von chlorierten organischen Lösungsmitteln, aromatischen Nitroverbindungen, Pestiziden und Azofarbstoffen

Shewanella oneidensis ist einer der beiden Modellorganismen zur Untersuchung der dissimilatorischen Eisenreduktion. S. oneidensis kann sowohl als Biofilm auf Eisenoberflächen wachsen und einen direkten Elektronentransfer katalysieren, als auch planktonisch über Elektronenshuttle eine Reduktion des unlöslichen Elektronenakzeptors erreichen. In beiden Fällen werden die Elektronen der Atmungskette durch ein komplexes Netzwerk aus c-Typ Cytochromen vom Periplasma auf die Zelloberfläche transportiert. 

Dennoch ist auch nach Jahrzehnten der Forschung auf diesem Gebiet das essentielle minimale Proteinset für den Elektronentransport auf metallische Elektronenakzeptoren noch unbekannt. Weiterhin sind die Eigenschaften der beteiligten Proteine größtenteils nur ungenügend charakterisiert.

Unsere Forschung kann in zwei Hauptinteressensgebiete unterteilt werden:

-          Periplasmatischer Elektronentransfer - Eigenschaften und Raten-begrenzte Reaktionen

-          Elektronentransfer der äußeren Membran - Charakteristika der Schlüsselenzym

Pyrit ist das am häufigsten vorkommende sulfidische Mineral der Erde. Die Oxidation dieses Disulfids führt zur Entstehung von Eisenhydroxiden und Schwefelsäure. Die dadurch resultierenden Umweltprobleme, so genannte Bergbaufolgeschäden werden als Acid Mine Drainage (AMD) bezeichnet. Kennzeichnend hierfür sind saurer pH und hohe Metallkonzentrationen in den anfallenden Abwässern. Dieser Effekt stellt somit eine Gefährdung der Umwelt dar.

Mikroorganismen, die Fe(II) als Elektronendonor ihrer Atmungskette nutzen, beeinflussen die Kinetik der Pyrit-Oxidation durch stetige Nachlieferung des primären Oxidationsmittels Fe(III). Es konnte gezeigt werden, dass vermittelt durch diese Mikroben die Pyrit-Oxidation um den Faktor 106 beschleunigt werden kann. Vertreter der Gattung Leptospirillum sind die dominanten Vertreter Eisen-oxidierender Mikroorganismen an Minenstandorten. Wie Leptospirillen den Elektronentransport von Fe(II) auf O­­2 katalysieren ist bisher nicht bekannt und die Aufklärung dieses Elektronentransportweges eine unserer Forschungsinteressen.

Daneben interessieren wir uns für bakterielle Konsortien, in denen Pyrit-oxidierende Organismen die Primäproduzenten sind. Ein von uns untersuchter Standort ist die mittlerweile geschlossene Pyritmine „Drei Kronen und Ehrt“ im Harz. Dort finden wir Konsortien, die von der Decke herabhängen und verschiedene physiologische Gruppen enthalten. Alle Prozesse innerhalb dieser Biofilme sind abhängig von der Pyritoxidation. Wir möchten zeigen, welche ökologischen Nischen durch die jeweiligen Organismen besetzt sind, wie der Stofftransfer innerhalb des Konsortiums verläuft und wie Mikroorganismen auf die Bildung sekundärer Minerale Einfluss nehmen.

Für die Umwandlung von chemischer Energie in elektrischen Strom eignen sich exoelektrogene Mikroorganismen, die die Oxidation von organischen Kohlenstoff-Komponenten an die direkte Übertragung von Elektronen auf eine Anode koppeln. Im Zusammenspiel mit einer Kathode kann so auf direktem Wege elektrische Energie gewonnen und dabei der verlustbehaftete Umweg über thermische Prozesse umgangen werden.
 
Kommunale Abwässer sind reich an organischen Komponenten und eignen sich daher als Einsatzort für eine mikrobielle Brennstoffzelle. Neben der Stromproduktion wird als positiver Nebeneffekt das Abwasser von den Mikroben gereinigt, wodurch die Betriebskosten gesenkt werden können. Im Abwasser kommen sehr viele Mikroorganismen mit unterschiedlichen Eigenschaften vor. Um eine leistungsfähige mikrobielle Brennstoffzelle zu entwickeln, wollen wir gezielt die exoelektrogenen Mikroben auf der Anode begünstigen. Unsere Studien werden evaluiert anhand der Leistungsabgabe der eingesetzten mikrobiellen Brennstoffzellen im Zusammenspiel mit einer Aufnahme von Populationsdynamiken im Anoden-Biofilm.

In den letzten Jahren ist die Chromverschmutzung in der EU zu einem schwerwiegenden Thema geworden. Das hochgiftige Cr(VI) wirkt in höchstem Maße mutagen und ist durch seine extrem hohe Löslichkeit sehr mobil und dadurch biologisch verfügbar. Quellen für Chrom-Kontaminationen sind dabei zum allergrößten Teil anthropogener Natur.

Wir untersuchen momentan zwei bakterielle Isolate, die Chromkonzentrationen von 40 mM (4,6 g/l Chromat) tolerieren. Die Stämme sind darüber hinaus in der Lage, Cr(VI) zu Cr(III) zu reduzieren. Cr(III) ist im Gegensatz zu Cr(VI) wesentlich schlechter löslich und dadurch biologisch weniger verfügbar.

Chromreduktion ist bei Bakterien keine unbekannte Eigenschaft, aber die Fähigkeit, diese hohen Chromkonzentrationen zu tolerieren, ist bislang nicht beschrieben. Da bei diesen hohen Chromkonzentrationen nach der Reduktion viele Cr(III)-Ionen in unmittelbarer Umgebung des Bakteriums vorhanden sind, ist es für die Organismen wichtig, eine Strategie zu entwickeln, um eine Störung der zellulären Funktionen weitgehend auszuschließen.

Cr(III)-Ionen sind in der Lage, irreversible DNA-DNA-, Protein-DNA- & Protein-Protein-Verknüpfungen zu bewirken, wodurch sich ihre Mutagenität erklärt - ein effektiver Mechanismus ihnen zu entgehen scheint daher essentiell zu sein.

Unser Ziel ist es, Mechanismen bakterieller Schwermetallresistenz am Beispiel Chrom zu verstehen und zu identifizieren. Die Aufklärung dieser Mechanismen ist darüber hinaus im Hinblick auf biotechnologische Nutzung sehr interessant. So bietet Bioremediation durch mikrobielle Reduktion zu unlöslichem Cr(III) eine kostengünstige und sinnvolle Möglichkeit, die Toxizität für Organismen durch eine Immobilisierung der Cr-Ionen maßgeblich zu verringern.