Charakterisierung von Trockentoleranz und Wasserspeicherung phototropher Biofilme

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Bröckel; Dr.-Ing. Dorina Strieth
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537851632

Aufgrund der globalen Erderwärmung kommt es neben erhöhten Temperaturen auch zukünftig zu häufiger auftretenden Extremwetterereignissen, die erhebliche Auswirkungen auf die Landwirtschaft mit sich ziehen. Zusätzlich dazu kommt es durch längere Hitzeperioden zu einer fortschreitenden Desertifikation. Eine Bewässerung in Hitzeperioden kann nicht gewährleistet werden, sodass optimalerweise das Wasser länger im Boden gehalten werden muss. In diesem Projekt sollen die wissenschaftlichen und prozesstechnischen Grundlagen geschaffen werden, um phototrophe Biofilme zur Verbesserung des Wasserrückhalts im Boden sowie für die Sanierung von degradiertem Land einsetzen zu können. Phototrophe Biofilme bestehen unter anderem aus phototrophen Mikroorganismen, welche in einer selbst produzierten Matrix, die die Zellen schützend umgibt, vorliegen. Diese Matrix besteht aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS). Zurzeit fehlt jedoch ein vertiefendes Verständnis der Anpassungsmechanismen phototropher Biofilme sowie des, für den Wasserrückhalt wesentlichen, Quell- und Schwindverhaltens bei periodische De- und Rehydratisierung. Im Rahmen des beantragten Projekts sollen phototrophe Biofilme hinsichtlich ihrer Trockentoleranz gescreent und charakterisiert werden. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die Fähigkeit der Anhydrobiose. Anhydrobiose ist die Fähigkeit, nach vollständiger Dehydratation die volle Vitalität wieder zu erlangen. Weiterhin ist die Kinetik des Quell- (Wasseraufnahme) und Schwindverhaltens (Wasserabgabe) der phototrophen Biofilme von Interesse sowie der Einfluss der selbst produzierten EPS auf dieses Verhalten. Um zum einen die phototrophen Biofilme bei periodischer Re- und Dehydratisierung zu charakterisieren sowie die Mechanismen dahinter zu verstehen, sollen die Biofilme in aerosol-basierten Photobioreaktoren oberflächen-assoziiert kultiviert und so der Einfluss von Temperatur und Trockenstress auf das Quell- und Schwindverhalten untersucht werden. Weiterhin soll ein Zusammenhang zwischen der Biofilmmorphologie (Schichtdicke, Oberflächenrauheit, Hohlraumverteilung) und der Austrocknungstoleranz hergestellt werden, wodurch umfangreiche Kenntnisse zur Wasseraufnahme, -speicherung und -abgabe phototrophen Biofilmen generiert werden können. Es ist bekannt, dass einige Biofilme Hohlräume bilden, die bei Rehydratisierung schneller mit Wasser gefüllt werden können. Zu untersuchen ist, wie Trocknungszustand, Hohlraumverteilung und Wassereinlagerungen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Biofilms ausüben werden. Untersuchungen der Biofilme im Rheometer werden wichtige Erkenntnisse zu Elastizität und Viskosität sowie Widerstand gegen (Ab-)scherung und deren Haftkräfte liefern. In einem abschließenden Arbeitspaket sollen die zuvor gewonnenen Kenntnisse genutzt werden, um auf optimierte Wasserspeicherung adaptierte Biofilme zu erzeugen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen