Aquatische Mikrobiologie

Gruppenfoto AG Meckenstock

Die Arbeitsgruppe Meckenstock

Die Arbeitsgruppe untersucht:

  1. Den anaeroben Abbau von Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs)
  2. Die mikrobielle Ökologie und Limitationen von Abbauprozessen in der Umwelt
  3. Entwickeln von neuer Umweltbiotechnologie zum Schadstoffabbau
  4. Pathogene in Biofilmen

1. Anaerober Abbau von Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs)

PAKs gehören zu den häufigsten und gefährlichsten Umweltschadstoffen und akkumulieren in Sedimenten und in der Nahrungskette. PAKs können mit Hilfe von Sauerstoff relativ gut abgebaut werden. Bei hoher Belastung mit organischen Substanzen wird der wenige, gelöste Sauerstoff jedoch schnell verbraucht und der Hauptteil des mikrobiellen Abbaus muss anaerob erfolgen. Wir erforschen die Biochemie dieser anaeroben Abbauprozesse und die Physiologie der beteiligten Organismen.

Wir untersuchen die Abbauwege von Naphthalin und Methylnaphthalin als einfache Modellsubstanzen für PAKs. Als ersten anaeroben Abbauweg von PAKs überhaupt, haben wir den Abbau von 2-Methylnaphthalin weitgehend aufgeklärt (Meckenstock and Mouttaki, Curr. Opp. Biotechnol. 2011). Methylierte PAKs werden über eine Addition von Fumarat and die Methylgruppe aktiviert und anschließend zu Naphthoesäure abgebaut. Naphthalin wird direkt carboxyliert, ebenfalls zu Naphthoesäure (Figur 1) (Mouttaki et al., Environ. Microbiol. 2012). Anschließend wird das bizyklische Ringsystem in mehreren 2-Elektronenenschritten reduziert wobei ein neuer Typ von Aryl-CoA-Reduktasen beteiligt ist (Eberlein et al., Environ. Microbiol. 2013).

Derzeit arbeiten wir an der detaillierten Aufklärung des Naphthalinabbauweges sowie an neuen Kulturen, die Phenanthren abbauen können.

2. Mikrobielle Ökologie und Schadstoffabbau in der Umwelt

Kürzlich haben wir Leben im Öl entdeckt, was einen Extremstandort auf der Erde darstellt (Meckenstock et al., Science 2014). Am weltgrößten Teersee der Erde, dem Pitch Lake in Trinidad and Tobago, haben wir winzige Wassertröpfchen (1-3 µl) im Öl gefunden. In diesen Miniökosystemen leben komplexe mikrobielle Gemeinschaften die das Öl aktiv von innen heraus abbauen. Wir schlagen deshalb ein neues Modell für den mikrobiellen Abbau in Ölreservoiren vor. Der Abbau findet wahrscheinlich nicht nur an der Wasser-Öl-Übergangszone im Reservoir statt, sondern auch in der mächtigen Ölphase selbst, wo große Wassermengen in Form von sehr kleinen Wassergefüllten Bereichen vorhanden sind (Figur 2). Im Rahmen eines kürzlich verliehenen ERC-Advanced Grants (EcOILogy) wollen wir herausfinden, ob das Leben im Öl eine generelle Eigenschaft von Ölreservoiren ist und ob die Mikroorganismen in den Wassertröpfchen signifikant zum Abbau der Ölreservoire beitragen. Weiterhin nutzen wir die Wassertröpfchen als Miniökosysteme um zu erforschen, wie sich Ökosysteme generell bilden und zusammensetzen.

In kontaminieren Grundwasserleitern (Aquiferen), geht der mikrobielle Abbau im Wesentlichen anaerob vonstatten, da auch hier der wenige, gelöste Sauerstoff schnell verbraucht ist. Wir haben mit Hilfe von hochauflösender Probenahme gefunden, dass eine wesentliche Limitierung des Schadstoffabbaus in der räumlichen Trennung von Schadstoffen in der Fahne und gelösten Elektronenakzeptoren (Sulfat, Nitrat, Sauerstoff) am Fahnenrand besteht. Diese Erkenntnisse haben zu neuen Konzepten für die Limitierung des mikrobiellen Schadstoffabbaus wie das „Plume Fringe Concept“ geführt, die bisherige Vorstellungen wie das Redox-Zonierungsmodell ablösen (Meckenstock et al., Environ. Sci. Technol. 2015). Wir untersuchen in diesem Zusammehang auch Long-Dinstance-Elektron-Transfer, bei dem filamentöse Mikroorganismen Elektronen aus der Oxidation von Sulfiden über Entfernungen von 1-2 cm leiten können um am anderen Ende des Filaments Sauerstoff zu Wasser zu reduzieren (Atmung).

3. Umweltbiotechnologie für Schadstoffabbau

Wir haben derzeit mehrere Projekte, die sich damit beschäftigen, die Elektronenakzeptorlimitierung im Grundwasser zu beheben. Dazu haben wir neue Eisenoxid-Nanopartikel entwickelt, die wir in den Untergrund injizieren können. Hier fallen die Partikel aus und überziehen das Sediment mit einer Eisenoxidschicht, die als Elektronenakzeptor für Eisenreduzierende Mikroorganismen dienen kann.

Ähnliche Partikel setzen wir auch ein um Schwermetalle zu adsorbieren. Durch das Injizieren der Eisenoxide können wir eine Adsorptionsbarriere im Untergrund erzeugen, an der die Schwermetalle binden und damit immobilisiert werden.

Weitere Biotechnologische Entwicklungen beschäftigen sich mit der Entfernung von Nitrat und Ammonium aus Grundwasser durch Bioelektrische Systeme.

4. Pathogene in Biofilmen

Biofilme können als Reservoir und Schutzraum für pathogene Mikroorganismen fungieren. Hier können sie überdauern und sich unter Umständen sogar vermehren. Dies stellt eine wichtige Kontaminationsquelle für Wasser dar. In der Forschungssgruppe „Pathogene in Biofilmen" wird untersucht, wie Pathogene in Biofilmen nachgewiesen werden können. Dabei kommen sowohl klassisch-mikrobiologische als auch molekularbiologische Verfahren (FISH, PCR-basierte Methoden) zur Anwendung. Besonderes Augenmerk liegt auf der Analytik von Pathogenen, die in einen nicht-kultivierbaren Zustand übergegangen sind. Dabei geht es vor allem darum, unter welchen Bedingungen sie wieder kultivierbar und auch infektiös werden können. 
Ziele der Forschungsarbeiten sind:

  • genauere Methoden zum sicheren Nachweis von Pathogenen in Biofilmen zu finden,
  • die Mechanismen aufzuklären, die der Einnistung und Persistenz von Pathogenen in Biofilmen zu Grunde liegen,
  • Pathogene in Biofilmen wirksam zu inaktivieren,
  • Strategien zur effektiven Kontrolle von Wasserkontaminationen durch Pathogene aus Biofilmen zu entwickeln.