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Projekt
Zellökonomische und bioenergetische Kontrolle der mikrobiellen Metabolisierung komplexer Substrate in Böden
Antragstellerin
Professorin Dr. Michaela Dippold
Fachliche Zuordnung
Bodenwissenschaften
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465127447
Der mikrobielle Metabolismus steuert die Stoff- und Energieflüsse in Böden und unterliegt dabei thermodynamischen Prinzipien wie einer negativen Gibbs’schen freien Energie tatsächlich stattfindender Umsätze. Die exergonen Reaktionen des Katabolismus stellen hierbei die Energie für endergone anabole Reaktionen, d.h. für Biomassesynthese aber auch für extrazelluläre Prozesse der Substratmobilisierung bereit. In EcoEnergeticS soll ein gemeinsamer bioenergetischer und zellökonomischer Ansatz zum Verständnis der thermodynamisch-metabolen Kontrolle von Stoff- und Energieflüssen erarbeitet werden. Der Umsatz einfacher sowie komplexer Substrate soll durch fünf Kenngrößen mikrobieller Nutzungseffizienz charakterisiert werden: 1) die Substratnutzungseffizienz, 2) die Kohlenstoffnutzungseffizienz, 3) die biochemische Effizienz, 4) das kalorespirometrische Verhältnis und 5) die thermodynamische Effizienz. Wir erwarten, dass die Vorteile diverser Monomermischungen, resultierend aus deren Bereitstellung passgenauer Vorstufen für den anabolen Bedarf, und die Nachteile komplexer Polymermischungen, deren Abbau kostenintensive Synthese diverser Enzymsysteme voraussetzt, in ihrer entgegengesetzten Wirkung zu einer Optimiumkurve mikrobieller Effizienz in Abhängig von der Substratdiversität führen. Die Lage dieses Optimums ist sowohl durch die funktionelle Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft als auch durch die Randbedingungen des mikrobiellen Habitats beeinflusst. Ausgehend von diesem Konzept postulieren wir, dass die Komplexität mikrobieller Nekromasse deren überproportional hohe Stabilität in Böden erklärt. In WP1 integrieren wir thermodynamische Randbedingungen in die metabole Flussmodellierung um die mikrobielle Nutzung verschiedener Einzelsubstrate unterschiedlicher Energiegehalte zu untersuchen. Der Einfluss der Monomerdiversität auf die Effizienz mikrobieller Umsetzungen steht dann im Fokus von WP2. WP3 untersucht, ob energetisch ungünstige Substrate zur Speicherung von deren Energie in mikrobiellen Speicherstoffen führt, anstatt energetisch-verlustreich auf diesen zu wachsen. WP 4 erfasst dann die zusätzlichen Kosten aus der Erschließung polymerer Substrate im Vergleich zur Nutzung des jeweiligen Monomers. In WP5 wird ermittelt, inwiefern diverse mikrobielle Gemeinschaften mittels kooperativer extrazellulärer Interaktion diese Substraterschließungskosten senken können, während WP6 die Umweltbedingungen des Habitats in die Effizienzbetrachtung der Substratnutzung mit einbezieht. Zusammengefasst, werden wir ein auf systemökologischen Prinzipien basierendes bioenergetisches Konzept der Substratnutzung erarbeitet, welches Energie- und Stoffflüsse bis in den Metabolismus hinein auflöst. Metabole Flussmodellierung auf der Basis thermodynamischer Randbedingungen wird mit bioökonomischen Konzepten verknüpft um die Effizienz funktionell-diverser mikrobieller Gemeinschaften in komplexen Habitaten in Böden zu erfassen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
