Stabilisotopen-Raman-Mikrospektroskopie (SIRM) für die quantitative und zerstörungsfreie 2D & 3D-Analyse: Mikrobieller Abbau von Mikroplastik

• Antragstellerin: Dr. Natalia Ivleva
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274874150

Stabilisotopen-basierte analytische Methoden gewinnen zunehmend an Bedeutung in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen. Obwohl Massenspektrometrie-basierte (MS) Methoden eine empfindliche Analyse von Bulkproben (z. B. Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, IRMS) oder eine räumliche Auflösung von bis zu 50 nm ermöglichen (z. B. Nano-Sekundärionen-Massenspektrometrie, NanoSIMS), sind diese Methoden destruktiv und erfordern zeitaufwändige Probenvorbereitung. Hier kann eine Kombination von Raman-Mikrospektroskopie (RM) mit dem Stabilisotopen-Ansatz – Stabilisotopen-Raman-Mikrospektroskopie (SIRM) – es ermöglichen, die Fähigkeiten der etablierten Techniken mit einer zerstörungsfreien, quantitativen und ortsaufgelösten Analyse zu erweitern. SIRM liefert charakteristische Fingerabdruckspektren von Proben mit der räumlichen Auflösung eines konfokalen optischen Mikroskops. Diese Spektren beinhalten einerseits Informationen über Stabilisotopen-markierte Substanzen und deren Marker-Gehalt, andererseits ermöglichen sie Schlussfolgerungen bezüglich der Zusammensetzung und Struktur einer Probe. Darüber hinaus erfordert dieses Verfahren keine oder nur eine geringe Probenvorbereitung und kann in situ und in vivo ohne spektrale Interferenzen von Wasser durchgeführt werden.Die Machbarkeit von SIRM für die quantitativen und 2D & 3D-Studien von z.B. Huminstoffe, Mikroorganismen und Biofilme wurden in der ersten Phase des beantragten Projekts nachgewiesen. SIRM wurde auch erfolgreich mit Resonanz- und oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS)-Effekten kombiniert, um die SIRM-Empfindlichkeit zu verbessern. Die erzielten Ergebnisse sowie andere aktuelle Studien weisen auf ein hohes Potenzial von SIRM zur Charakterisierung von Biofilmen auf Einzelzellebene hin. Diese Methode liefert Informationen über den Kohlenstoffmetabolismus / -fluss sowie die Zellaktivität und wurde bereits für die Analyse des Abbaus von Umweltschadstoffen getestet. Bislang wurde jedoch noch keine Studie zum mikrobiellen Abbau eines der auffälligsten Schadstoffe in der aquatischen Umwelt – Mikroplastik (MP) – durchgeführt.Das Ziel dieses Fortsetzungsantrages ist die Entwicklung und Evaluierung einer SIRM-basierten Methode zur quantitativen und zerstörungsfreien 2D & 3D-Analyse von Biofilmen, die am biologischen Abbau von MP beteiligt sind. SIRM in Kombination mit SERS hat das Potenzial, neue Informationen über die Kohlenstoffassimilation und die metabolische Aktivität von (Mikro)Plastik-assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften zu liefern. Neben der Verwendung von markierten Polymeren, die teuer oder gar nicht verfügbar sind, werden alternative Ansätze – „D2O“- und „reverse labeling“-SIRM – angewendet. Die erhaltenen SIRM-Ergebnisse werden mit IRMS- und NanoSIMS-Daten validiert. Insgesamt soll es helfen, eine zuverlässige Methode für die Analyse des biologischen Abbaus von (Mikro)Plastik in der aquatischen Umwelt zu etablieren, um (direkte) Informationen auf Einzelzellebene zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Michael Wagner