Konstruktion und Verstehen selbst-erhaltender, strukturierter phototropher mikrobieller Gemeinschaften in Hydrogelen und Biofilmen für biokatalytische Anwendungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Rohan Karande; Professor Dr. Tilo Pompe
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464311431

Phototrophe mikrobielle Schichten sind interessante (Öko-)Systeme, in denen vertikal strukturierte mikrobielle Gemeinschaften mit effizientem Energie- und Massentransfer existieren. Sie sind unter extremen Umweltbedingungen stabil und nutzen durch die Zusammenarbeit verschiedener Mikroorganismen effizient das Sonnenlicht. Diese emergenten Eigenschaften räumlich strukturierter phototropher mikrobieller Gemeinschaften sind für biotechnologische Anwendungen im Bereich energieeffizienter photo-biokatalytischer Prozesse sehr attraktiv. Jedoch ist das Verständnis von Funktionen und Interaktion der mikrobiellen Spezies in solchen strukturierten mikrobiellen Gemeinschaften wie auch die Ableitung damit verbundener biotechnologischer Prozesse anspruchsvoll und kaum vorhanden.Das Projekt zielt auf ein quantitatives Verständnis von grundlegenden Parametern, welche für die Konstruktion strukturierter mikrobieller Gemeinschaften in Biofilmen nötig sind. Dafür werden wir unsere Expertise in der (Bio-)Materialwissenschaft und mikrobieller Biotechnologie vereinen. Wir wollen die konzertierte Aktivität von phototrophen und heterotrophen Mikroorganismen nutzen, um vertikal strukturierte mikrobielle Gemeinschaften zu erzeugen, welche ein Maximum an Lichtkonversion für die Bio-Wasserstoff (H2)-Produktion besitzen. Die Modellstämme Synechocystis sp. PCC 6803 M55, Anabaena sp. PCC 7120 AMC 414, Rhodopseudomonas palustris und Pseudomonas sp. VLB120 wurden als Spezies gewählt, da sie eine maximale Lichtkonversion sowie eine Stabilisierung des chemischen Redoxgleichgewichts ermöglichen. Wir schlagen zwei experimentelle Plattformen (Hydrogele, Biofilme) mit integrierter Analytik für die Untersuchung von Struktur, Stabilität und metabolischer Aktivität der phototrophen mikrobiellen Gemeinschaften vor. Aufbauend auf der quantitativen Analyse der Lichtkonversion und Massebilanz in Korrelation zur Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften in Hydrogelen werden die Prozessbedingungen für die Bildung von vertikal strukturierten Biofilmen erarbeitet und getestet. Die biotechnologische Leistungsfähigkeit der Systeme wird anhand der Effizienz der H2-Produktion bestimmt.Für die Zielerreichung sind folgende Arbeitspakete geplant: (1) Konstruktion einer Material-basierten Zellkultur-Toolbox, um multi-spezies phototrophe mikrobielle Gemeinschaften bezüglich Struktur, Masse- und Lichtbilanz zu manipulieren und analysieren, (2) quantitative Analyse von natürlich entstehenden phototrophen Biofilmen gemischter Spezies in einem Flow-Reaktor mit analytischem Zugang zu struktureller Entwicklung, Licht- und Massebilanz, (3) Untersuchung des Prozessfensters von strukturierten mikrobiellen Gemeinschaften mit effizienter Lichtkonversion in der bio-H2-Produktion.Perspektivisch sollen damit neue biotechnologische Anwendungsmöglichkeiten von strukturierten mikrobiellen Gemeinschaften in Biofilmen mit effizienter Lichtkonversion und anspruchsvoller Produktsynthese aufzeigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen