Forschung

Entschlüsselung der Kommunikationsdynamik in marinen Biofilm-Gemeinschaften

DIALMOD

Gemeinschaften aus Photosynthese-treibenden und Nährstoff-abbauenden Mikroorganismen sind für das Leben auf der Erde von grundlegender Bedeutung. Sie sind auf chemische Wechselwirkungen über eine Reihe spezifischer Moleküle angewiesen, um ihre Interaktionen zu steuern, zu „kommunizieren“ und effizient zu funktionieren. Mikroalgen-Bakterien-Gemeinschaften in aquatischen Systemen teilen sich Mikrohabitate, in denen die abiotischen Bedingungen in einem täglichen Rhythmus erheblich schwanken, da das Zusammenspiel von Photosynthese und Atmung zu starken Gradienten des pH-Werts und des Sauerstoffgehalts führt.  Solche abiotischen Bedingungen können die Kommunikation beeinträchtigen, indem sie die Moleküle verändern und dadurch die damit verbundenen Wechselwirkungen stören, wie aktuelle Studien des Teams an Makroorganismen gezeigt haben.

Das DIALMOD-Projekt untersucht die zeitliche und räumliche Dynamik der chemischen Kommunikation in marinen Biofilmen aus Kieselalgen und Bakterien. Durch die Kombination biologischer, chemisch-analytischer und computergestützter Methoden zur hochauflösenden Analyse soll geklärt werden, ob es eine chemische Uhr gibt, die die Interaktionen in marinen Gemeinschaften steuert.

Kohlenstoffspeicherung im Ozean verstehen

CONCENTRATE

Der Transregio-Sonderforschungsbereich TRR 420 CONCENTRATE, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), untersucht, wie Kohlenstoff im Ozean gespeichert wird. Im marinen Kohlenstoffkreislauf werden Zuckermoleküle (Glykane), die von Algen produziert werden, eigentlich vollständig durch Bakterien abgebaut. Überraschenderweise finden sich jedoch große Mengen dieser Verbindungen im Wasser und sogar am Meeresboden wieder.

CONCENTRATE geht der Frage nach, warum ein Teil dieses Kohlenstoffs dem Abbau entgeht und möglicherweise langfristig im Ozean gebunden wird - mit direkten Auswirkungen auf das Klima. Forschende der Universität Bremen, der Universität Greifswald und weiterer Partnerinstitutionen untersuchen dafür die zugrunde liegenden Prozesse von der molekularen bis zur ökologischen Ebene.

Teilprojekt B7 (ACID) – Prozesse an mikroskopischen Grenzflächen

Das Teilprojekt B7 (ACID) der AG Dynamische Ökologische Chemie untersucht, wie Umweltbedingungen an mikroskopischen Grenzflächen den Abbau von Glykanen beeinflussen.

Viele Prozesse im Ozean finden an Oberflächen statt, etwa an Zellen oder Partikeln. Dort entstehen aktive Mikroumgebungen, in denen sich Mikroorganismen, Enzyme und Substrate konzentrieren. Gleichzeitig bilden sich starke chemische Gradienten, zum Beispiel bei Sauerstoff, Kohlendioxid oder dem pH-Wert. Diese Bedingungen verändern sich durch Prozesse wie Photosynthese, Atmung oder Temperatur im Verlauf von Tag und Jahr. Im Zentrum steht die Frage, wie diese dynamischen Bedingungen die Aktivität von CAZymes (carbohydrate-active enzymes) beeinflussen. Diese Enzyme steuern die Umwandlung und den Abbau von Glykanen.

Durch die Kombination von Laborexperimenten und Modellierung wird untersucht, wie Umweltveränderungen auf mikroskopischer Ebene wirken und wie sie zur Kohlenstoffspeicherung im Ozean beitragen.

Bodenprozesse unter kupferbasiertem Pestizidstress verstehen

ROSCAR

Böden spielen eine wichtige Rolle bei globalen und lokalen Ökosystemprozessen, wie beispielsweise dem Kohlenstoff- und Stickstoffzyklus, welche jedoch durch Pestizidbelastung stark beeinträchtigt werden können. Ein weit verbreiteter Wirkstoff ist Kupfer, ein Schwermetall, das in der Landwirtschaft häufig als Fungizid eingesetzt wird. Kupfer kann in höheren Konzentrationen sowohl für terrestrische als auch für aquatische Organismen schädlich sein. Daher kann die Anwendung von Kupfer in der Landwirtschaft erhebliche Auswirkungen auf Nichtzielarten und die Funktion von Ökosystemen haben. Kupfer wirkt u.a. toxisch durch die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), welche auf seiner Fähigkeit als redoxaktives Übergangsmetall zur Aufnahme und Abgabe von Elektronen beruht.
Das Projekt ROSCAR untersucht das Zusammenspiel verschiedener für Redox-Prozesse relevante Bodeneigenschaften wie Ton-, Eisenmineral- und organischem Gehalt sowie dem pH Wert auf die kupferinduzierte ROS-Bildung, und zwar sowohl für konventionelle als auch nanopartikelbasierte Kupfersubstanzen. Dies geschieht sowohl abiotisch in künstlichen Bodenmedien als auch biotisch hinsichtlich der Auswirkungen auf das antioxidative System und die Fitness verschiedener Bodenorganismen. Im Fokus stehen dabei Bodeninvertebraten wie Springschwänze und Enchyträen, aber auch Pflanzen, die über die Exkretion von Wurzelexudaten direkt mit dem Boden und den darin enthaltenen Schadstoffen wie Kupfer interagieren. Darüber hinaus werden Wechselwirkung mit klimainduzierten  Umweltstressoren untersucht, wie etwa erhöhte Temperatur oder häufigere Trocknungs- und Befeuchtungszyklen, da diese ebenfalls die ROS-Bildung fördern können.

Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse können helfen, die Diskrepanz zwischen Boden- und Pflanzenschutz zu überbrücken und auch praktische Relevanz für die Landwirtschaft entfalten, z.B. durch Empfehlungen für eine nachhaltigere Anwendung kupferbasierter Pestizide, die neben der angewandten Kupfersubstanz auch die jeweilige Bodenbeschaffenheit berücksichtigen.

ROSCAR wird von der Zentralen Forschungsförderung der Universität Bremen und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Biofilm-MRT

Analyse von Limitierungen in hydrogenotrophen und/oder aerophilen produktiven Biofilmen mittels einer MRT-basierten in-vivo-Methode zur kombinierten Quantifizierung von Substratgradienten, Stofftransport und Biomassewachstum

Ziel: Entwicklung neuartiger Magnetresonanztomographieverfahren zur in-situ-Charakterisierung lebender Biofilme und ihrer produktivitätslimitierenden Faktoren.

Kooperationsprojekt im SPP2494 Produktive Biofilmsysteme mit Prof. Sven Kerzenmacher & Dr. Ekkehard Küstermann

Dieses Projekt wird die methodische Weiterentwicklung der Magnetresonanztomographie (MRT) zur Untersuchung der räumlichen Verteilung von Biomassedichte, Stofftransporteigenschaften sowie Substrat- (O₂ und H₂) und pH-Gradienten in hydrogenotrophen und/oder aerophilen Biofilmen vorantreiben, um deren Einfluss auf Reaktionsraten und Biomassewachstum zu bestimmen.

Zu diesem Zweck wird ein C. necator Biofilm während seines Wachstums im MRT untersucht. Mithilfe verschiedener MR-Techniken werden sowohl die Morphologie als auch die räumlich aufgelösten pH-, O₂- und H₂ Konzentrationen innerhalb des Biofilms charakterisiert und lokal aufgelöste effektive Diffusionskoeffizienten bestimmt.

Darüber hinaus wird der Einfluss von Quorum-Sensing-Molekülen auf die Architektur und Produktivität der C. necator Biofilme in Abhängigkeit von lokalen pH- und Sauerstoffbedingungen mithilfe der entwickelten Magnetresonanztomographieverfahren untersucht.