Stabilisotopen-Raman-Mikrospektroskopie (SIRM) für die quantitative und zerstörungsfreie 2D & 3D-Analyse: Mikrobieller Abbau von Mikroplastik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Stabilisotopen-basierte analytische Methoden gewinnen zunehmend an Bedeutung in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen. In diesem Projekt wurde das Potenzial der Stabilisotopen-Raman-Mikrospektroskopie (SIRM) für die Analyse des mikrobiellen Abbaus eines der allgegenwärtigen anthropogenen Kontaminanten – Mikroplastik (MP) – untersucht. Die SIRM liefert charakteristische Fingerabdruck-Spektren von Proben mit der räumlichen Auflösung eines optischen Mikroskops, die Informationen über Stabilisotopen-markierte Substanzen und deren Marker-Gehalt (basierend auf der Rotverschiebung der Banden) enthalten. Es erfordert keine oder nur eine minimale Probenvorbereitung und kann ohne spektrale Interferenz von Wasser durchgeführt werden. Das Hauptziel des Projekts war die Entwicklung und Evaluierung SIRM-basierten Methoden zur quantitativen, zerstörungsfreien und räumlich aufgelösten Analyse von Mikroorganismen, die am Bioabbau von MP beteiligt sind. Zunächst führten wir systematische SIRM-Studien durch, um die Dynamik der Markierung mit stabilen Isotopen (13C und Deuterium, D) in einzelnen mikrobiellen Zellen als Grundlage für nachfolgende Experimente zum biologischen Abbau von MP zu untersuchen. Anschließend wurde das Potenzial verschiedener Methoden untersucht, darunter die direkte und reverse Markierung in Kombination mit verschiedenen markierten Substraten als Referenz und Kontrollexperimenten mit nicht plastikabbauenden Bakterien. Obwohl die reverse Markierung kosteneffiziente SIRM-Studien zur Kohlenstoffaufnahme ermöglichte, ist dieser Ansatz aufgrund der Notwendigkeit, alle Kohlenstoffquellen, außer (Mikro-)Plastik auszuschließen, und der damit verbundenen fehlenden Übertragbarkeit auf Umweltproben für die Analyse des biologischen Abbaus eher ungeeignet. Die Verwendung von deuterierten anstelle von C-markierten Polymeren erwies sich als eine sehr geeignete Alternative (Preis, Verfügbarkeit, ausgeprägte Raman-Verschiebung in den silent Raman-Bereich). Resonanz- und konventionelle Raman-Spektroskopie erwiesen sich als zuverlässige und komplementäre Anwendungen. Während die Resonanz-Raman-Spektroskopie eine hohe Empfindlichkeit gewährleistet, entschlüsselt die konventionelle Raman-Spektroskopie die metabolischen Unterschiede von Bakterien, die mit MP inkubiert werden, im Vergleich zu anderen Kohlenstoffquellen. Somit ermöglicht die Methode das mechanistische Verständnis des mikrobiologischen Abbaus von (Mikro-)Plastik zu erweitern. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass die Anwendung von SIRM für die Analyse des biologischen Abbaus von D-markierten (Mikro-)Plastik eindeutige direkte Informationen über die D-Assimilation durch Mikroorganismen auf Einzelzellebene liefert.
Link zum Abschlussbericht
https://doi.org/10.14459/2025md1782854
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Simple Generation of Suspensible Secondary Microplastic Reference Particles via Ultrasound Treatment. Frontiers in Chemistry, 8.
von der Esch, Elisabeth; Lanzinger, Maria; Kohles, Alexander J.; Schwaferts, Christian; Weisser, Jana; Hofmann, Thomas; Glas, Karl; Elsner, Martin & Ivleva, Natalia P.
-
Chemical Analysis of Microplastics and Nanoplastics: Challenges, Advanced Methods, and Perspectives. Chemical Reviews, 121(19), 11886-11936.
Ivleva, Natalia P.
-
Multi-element stable isotope Raman microspectroscopy of bacterial carotenoids unravels rare signal shift patterns and single-cell phenotypic heterogeneity. The Analyst, 148(1), 128-136.
Weng, Julian; Müller, Kara; Morgaienko, Oleksii; Elsner, Martin & Ivleva, Natalia P.
-
Raman Microspectroscopy to Trace the Incorporation of Deuterium from Labeled (Micro)Plastics into Microbial Cells. Analytical Chemistry, 97(8), 4440-4451.
Müller, Kara; Elsner, Martin; Leung, Anna E.; Wacklin-Knecht, Hanna; Allgaier, Jürgen; Heiling, Maria & Ivleva, Natalia P.
