In-situ Speziation von Uran in Biofilmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurden sowohl „Mono-Spezies-" als auch „Multi-Spezies“-Biofilme unter Laborbedingungen in „Rotating-Annular“-Reaktoren, die auf dem von Lawrence et al. (2000) vorgestellten Reaktortyp basieren und in Eigenbau mit einigen Modifikationen hergestellt wurden, angezüchtet. Geologische Aufwuchsflächen wie Granit zeigten dabei eine stärkere Besiedlung als künstliche Aufwuchsträger wie z.B. Glas oder PVC. Die Entdeckung der U(V) Fluoreszenz stellt das herausragende Ergebnis des Projektes dar. Das U(V) wurde hierbei als kurzlebiges Zwischenprodukt bei der Reduktion von U(VI) zu U(IV) in lebenden multi-Spezies Biofilmen nachgewiesen. Dieser Nachweis, sowie der Nachweis von U(V) in Lösungen, auf Oberflächen und in Biofilmen wurde in mehreren Publikationen dokumentiert (Arnold et al., 2010; Großmann et al., 2007; Großmann et al., 2009a; 2009b; Steudtner et al., 2006). Der Nachweis von U(V) in Biofilmen ist ein sehr starkes Indiz für die Reduktion von U(VI) zu U(IV). Das wahrscheinliche Endprodukt dieser Reduktion wäre die Bildung einer U(IV) Festphase, wie z. B. Uraninit. Allerdings konnte bisher die U(IV) Fluoreszenz in Festphasen noch nicht nachgewiesen werden, womit das U(IV) Endprodukt mit Fluoreszenzuntersuchungen nicht nachweisbar ist. Solche in Biofilmen induzierten Redoxreaktionen könnten zur Immobilisierung von Actiniden aus kontaminierten Wässern genutzt werden. Untersuchungen zum Transport fluoreszierender Schwermetalle in biologischen Systemen, wie beispielsweise Biofilmen werden allerdings stark durch Fluoreszenzen der anwesenden Organika beeinträchtigt. Eine Trennung der ultrakurzen Fluoreszenzen durch organische Komponenten in den Biofilmen von denen der Metallen mittels der Konfokalen Laser Raster Mikroskopie (Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM) war nicht möglich, da die Metallfluoreszenzen von den Fluoreszenzen der Organika überdeckt waren. CLSM verwendet „continous wave“ Laser und regt deshalb ständig die biologischen Anteile der Proben zur Fluoreszenz an. Eine Trennung über die Lebenszeiten, wie beispielsweise mit der zeitaufgelösten Laser Fluoreszenz Spektroskopie (TRLFS) konnte bei dieser Kopplung technisch noch nicht realisiert werden. Unter den im Rahmen des Projekts analysierten mikrobiellen Gemeinschaften waren Biofilme aus der Grube Königstein bei Dresden besonders bemerkenswert, da sich hier unter extremen Lebensbedingungen (pH-Werte < 3, hohe Eisen-, aber auch Arsen- und Urankonzentrationen) eine Biozönose ausgebildet hat, die von bisher selten nachgewiesenen acidophilen Eisenoxidierern („Ferrovum“-Typ) dominiert wird und auch eine Reihe eukaryonter Organismen beherbergt. Auf Grundlage der Publikation von Großmann et al (2007) in Environmental Science and Technology 41 (18),6498-6504. erfolgte am 17.10.2007 eine Pressemitteilung mit dem Titel „Bakterien in Biofilmen halten Uran fest“, die unter anderen von „chemie.de“ (z.B. http://www.chemie.de/news/d/72186/), CHEManager 21/2007 sowie diverse Online Zeitschriften veröffentlich wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2006) Detection of U(V) in Pseudomonas stutzeri biofilms by confocal laser scanning microscopy Biofilm II, 23.- 24.03.2006, Leipzig, Deutschland
Großmann K., Arnold T., Krawczyk-Bärsch E., Wobus A.
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(2006) Luminescence spectrum of uranyl(V) in 2-propanol perchlorate solution. Inorg Chem Commun 9 (9): 939-941
Steudtner, R., Arnold, T., Grossmann, K., Geipel, G., Brendler, V.
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(2007) Identification of fluorescent U(V) and U(VI) microparticles in a multispecies biofilm by confocal laser scanning microscopy and fluorescence spectroscopy. Environmental Science and Technology 41 (18),6498-6504
Großmann, K., Arnold, T., Krawczyk-Bärsch, E., Diessner, S., Wobus, A., Bernhard, G., Krawietz, R.
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(2007) Influence of different surfaces on biofilm formation in rotating annular reactors. BioSpektrum Tagungsband zur VAAM-Jahrestagung 2007: ISSN 0947-0867
Diessner, S., Koj, L., Wobus, A., Großmann, K., and Röske, I.
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(2007) Phylogenetic Analysis and In Situ Identification of Bacteria Community Composition in Uranium Contaminated Soil. Environmental Biogeochemistry at the Extremes 18. International Symposium on Environmental Biogeochemistry (ISEB), Taupo/ Neuseeland, 11. – 16. November 2007
Hofmann S., Wobus A., Rosenlöcher J., Großmann K., Arnold T., Krawczyk-Bärsch E. Röske I
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(2007) Phylogenetic Analysis and In Situ Identification of Bacteria Community Composition in Uranium Contaminated Soil. Proceedings of 6th Symposium on remediation, “Microbe-mineral interfaces at heavy metal polluted sites", p. 45, Jena 2007
Diessner, S., Wobus, A., Großmann, K., Arnold, T. and Röske, I.
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A microsensor study on the O2 consumption in a U(VI) contaminated multispecies biofilm. 6. Jenaer Sanierungskolloquium „Mikroben-Mineral Wechselwirkungen an Schwermetall belasteten Standorten“ vom 4.-5.10.2007 in Jena
E. Krawczyk-Bärsch, K. Großmann, T. Arnold, S. Diessner, A. Wobus
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Identification of fluorescent U(V) and U(VI) microparticles in a multispecies biofilm by confocal laser scanning microscopy and fluorescence spectroscopy Environmental Biogeochemistry at the Extremes 18. International Symposium on Environmental Biogeochemistry (ISEB), Taupo/ Neuseeland, 11. – 16. November 2007
Großmann K., Arnold T., Krawczyk-Bärsch E., Diessner S., Wobus A., Bernhard G., Krawietz R.
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Increased metabolic activity in biofilms caused by uranium: A microsensor study (Poster) Environmental Biogeochemistry at the Extremes 18. International Symposium on Environmental Biogeochemistry (ISEB), Taupo/ Neuseeland, 11. – 16. November 2007
Krawczyk-Bärsch E., Arnold T., Großmann K., Wobus A., Diessner S.
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Uranium as a stress factor in well aerated multispecies biofilms – A microsensor study of the O2 concentrations. International Symposium on Microbial adaption to stress and environment“ vom 12.-14.4.2007 in Marburg
E. Krawczyk-Bärsch, K. Großmann, T. Arnold, S. Diessner, A. Wobus
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(2008) Comparison of biofilm formation in two types of biofilm reactors. Proceedings of Biofilms III Conference, p. 91, München 2008
Hofmann, S., Wobus, A., Röpcke, A., Krawczyk-Bärsch, E., Großmann, K., Brockmann, S., Arnold, T. and Röske, I.
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(2008) Influence of uranium (VI) on the metabolic activity of stable multispecies biofilms studied by oxygen microsensors and fluorescence microscopy. Geochimica Cosmochimica Acta 72, 5251–5265
Krawczyk-Bärsch, E., Großmann, K., Arnold, T., Diessner, S., Wobus, A.
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A Visualization of uranium in living biofilms in relation to biofilm structure and geochemical conditions Biofilm III, 3rd International Biofilms Conference, 06.-08.10.2008, Garching, Germany
Brockmann, S.; Großmann, K.; Krawczyk-Bärsch, E.; Arnold, T.; Wobus
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The increase of metabolic activity in biofilms caused by uranium Biofilms III, 3rd International Conference, 06.-08.10.2008, München, Deutschland
Krawczyk-Baersch, E.; Brockmann, S.; Arnold, T.; Wobus, A.; Diessner, S
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The response of biofilms to uranium impacts “Metal stress: biotic and abiotic factors” 7th Symposium on remediation in Jena “Jenaer Sanierungskolloquium”, 22. – 23. September 2008
Krawczyk-Bärsch E.
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Uranium in Biofilms The response of biofilms to uranium impacts “Metal stress: biotic and abiotic factors” 7th Symposium on remediation in Jena “Jenaer Sanierungskolloquium”, 22. – 23. September 2008
Arnold T.
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(2009) Fluorescence properties of a uranyl(V)-carbonate species [U(V)O2(CO3)3]5− at low temperature. Spectrochimica Acta Part A 72, 449–453
Großmann, K., Arnold, T., Ikeda, A., Steudtner, R., Geipel, G., Bernhard, G.
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(2009) Visualization of microorganisms in acidophilic biofilms 8th Symposium on remediation in Jena “Jenaer Sanierungskolloquium”: Geo-bio-processes at geochemical barriers, 28.-29.09.2009, Jena, Deutschland
Brockmann S., Arnold T.
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(2009) Visualizing different oxidation states on uraninite and uranium tetrachloride by Confocal Laser Scanning Microscopy. Naturwissenschaften 96, 963–974
Grossmann, K., Arnold, T., Steudtner, R., Weiss, S., Bernhard, G.
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Untersuchungen zu Redoxprozessen von Uran in Mischkulturbiofilmen und spektroskopische Verifizierung von ultradünnen Mineralüberzügen auf „Depleted Uranium“ mit Laser- Fluoreszenz- Techniken 15. Tagung Festkoerperanalytik, 12.-16.07.09, Chemnitz, Deutschland
Arnold, T.; Großmann, K.; Baumann, N.
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(2010) Uranium speciation in biofilms studied by laser fluorescence techniques. Analytical and Bioanalytical Chemistry 396 (5) 1641-1653
Arnold T., Großmann K., Baumann N.
