Biologischer Abbau von Graphen-basierten Materialien durch Umweltbakterien (DeGraph)

• Antragstellerin: Dr. Katrin Pollmann
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491230674

Graphen-basierte Materialien (GBMs), einschließlich Graphen (G) und Graphenoxid (GO) akkumulieren zunehmend in der Umwelt als Folge ihrer vielfältigen industriellen Anwendungen. Daher ist es von grundlegendem Interesse, die möglichen schädlichen Auswirkungen dieser Materialien auf Organismen sowie ihre Persistenz in der Umwelt zu untersuchen. Trotz der umfangreichen Literatur zu GBM gibt es nur wenige Studien, die den biologischen Abbau dieser Art von Nanomaterialien untersuchen.Ziel des Vorhabens ist es, die Potenziale von Umweltbakterien zu erforschen, mit G und GO zu interagieren und diese abzubauen. Dabei werden das Wissen und die Expertise verschiedener Forschungsgruppen aus den Bereichen Mikrobiologie, Biotechnologie und Nanomaterialien kombiniert. Die Herangehensweise für die Bearbeitung des Themas ist sehr gradlinig. Zunächst werden Proben von graphitischen Ablagerungen gesammelt und die Diversität der bestehenden bakteriellen Gemeinschaften untersucht. Es werden kulturabhängige Methoden mit verschiedenen Nährmedien und Bedingungen (T, pH) für angereicherte Kulturen implementiert. Des Weiteren werden ergänzende kulturunabhängige Methoden angewendet. Mittels der Sequenzierung des 16S rDNA-Gens werden taxonomische Untersuchungen durchgeführt. Da Naphthalinabbauer potentielle GBM-Abbauer sind, werden außerdem Mikroorganismen aus Sammlungen (öffentliche und eigene von Partnern dieses Projekts), die von mit Kohlenwasserstoffen und Metallen kontaminierten Standorten isoliert wurden, hinsichtlich der Interaktion mit GBMs untersucht. Anschließend werden Experimente in kontinuierlichen Durchflusszellen- und Säulenreaktoren sowie in Batch- und Semi-Batch-Kolbenreaktoren durchgeführt. In diesen Versuchen interagieren zuvor ausgewählte Bakterien mit den vollständig charakterisierten GBM-Materialien entweder als Einzelstamm oder im Konosortium über einen Zeitraum von 45 Tagen. Die Interaktion der Mikroorganismen mit G- und GO wird in regelmäßigen Abständen mit elektronenmikroskopischen (TEM/SEM) und spektroskopischen (XPS, Raman) Methoden untersucht. Die Kohlenstoffaufnahme/-assimilation durch Mikroorganismen wird mittels Versuchen mit 13C-markierten GBMs durch HR-MAS NMR bestimmt. Wechselwirkungen von Bakterien mit G und GO führen zu einer Veränderung der Oberflächeneigenschaften. Dies kann für Bioflotationsprozesse genutzt werden oder trägt zum biologischen Abbau von G und GO bei. Ziel des Projektes ist also, Bakterien aus graphithaltigen Umweltproben und/oder Stammsammlungen zu identifizieren, die in der Lage sind, GBMs zu transformieren. Das Projekt wird das derzeitige Wissen über den Verbleib von GBMs in der Umwelt und insbesondere über den bakteriellen Beitrag zu biologischen Abbauprozessen verbessern. Die Ergebnisse dieses Grundlagenforschungsprojektes werden dazu beitragen, zukunftsorientierte Bioremediationsverfahren zu entwickeln sowie ein zu erwartendes gesellschaftliches Problem zu lösen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Bulgarien, Frankreich, Italien, Spanien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Alberto Bianco; Professor Didier Lièvremont, Ph.D.; Professor Dr. Maurizio Prato; Professorin Dr. Diliana Dancheva Simeonova; Professorin Ester Vázquez; Amaia Zurutuza, Ph.D.
• Mitverantwortlich(e): Mital Vivek Chakankar, Ph.D.