Umweltmikrobiologie zwischen Weißer Biotechnologie und ... · Erzmikroskopie Schlömann F2...
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Umweltmikrobiologie zwischen Weißer Biotechnologie und Geobiotechnologie
Biosaxony Meets Public 6.11.2013M. Schlömann, D. Tischler, M. Mühlling
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Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika
Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
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ClcF: Chloromuconolacton-DehalogenaseStruktur und Mechanismus
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Roth et al. Molec. Microbiol. 2013
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Pharmazeutika: toxische Metabolite?
Filamentöse Pilze:Epicoccum nigrum DSM 838
Fenoprofen:
Sedimente ausMünzbach
4’Hydroxy-fenoprofen:
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Kooperation mit UFZ-Leipzig 4
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Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika
Synthesen durch Abbauenzyme
Cycloisomerasen
Biologie der Rhodococcen
Stressantwort
Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
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Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika
Synthesen durch Abbauenzyme• Monooxygenasen von Actinobacteria
• Styroloxid-Isomerase• Cycloisomerasen
Biologie der Rhodococcen• Genomanalyse• Stressantwort • Biotenside• Siderophore
Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Weiße Biotechnologie
Mikrobielle Reinigung von Bergbauwässern
• Sulfat-Reduktion
Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität
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Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika
Synthesen durch Abbauenzyme• Monooxygenasen von Actinobacteria
• Styroloxid-Isomerase• Cycloisomerasen
Biologie der Rhodococcen• Genomanalyse• Stressantwort • Biotenside• Siderophore
Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität• Lagerung von CO2
• Petrotoga-Genom•Trinkwasser-Brunnen
Mikrobielle Reinigung von Bergbauwässern• Fe Oxidation: Ferrovum u.a.
• As-Oxidation• Sulfat-Reduktion
Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Mikrobielle Laugung zur Metallgewinnung• Laugung von Kupferschiefer
• Laugung von Sphaleritmit In und Ge
Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie
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Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika
Synthesen durch Abbauenzyme• Monooxygenasen von Actinobacteria
• Styroloxid-Isomerase• Cycloisomerasen
Biologie der Rhodococcen• Genomanalyse• Stressantwort • Biotenside• Siderophore
Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität• Lagerung von CO 2• Petrotoga-Genom•Trinkwasser-Brunnen
Mikrobielle Reinigung von Bergbauwässern• Fe Oxidation: Ferrovum u.a.
• As-Oxidation• Sulfat-Reduktion
Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie
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Mikrobielle Laugung zur Metallgewinnung• Laugung von Kupferschiefer
• Laugung von Sphaleritmit In und Ge
Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie
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Hintergrund: Carbon Capture and Storage CCS
→ Struktur der mikrobiellen Lebensgemeinschaft
→ Ableitung möglicher biogeochemischer CO2 -Transformationen
---- RECOBIO 2 RECOBIO 2 RECOBIO 2 RECOBIO 2 ----
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Sampling Altmark
depth T pH salinity DOC Fe total
[mbs] [ °C] [g/l] [mg/l]
~ 3300 111…120 5.4 … 6 275 … 350 16…>1000 126 … 233
Extreme environmental conditions
→ Sampling at different field blocks
Well head samplingusing “Fackelabscheider”
Down hole samplingusing “Kugelbüchse”
→ Characteristics of the formation water
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Analysen mikrobieller Lebensgemeinschaften:Sequenzierung von Klonbanken
DNA isolation PCR Cloning
ARDRASequencing
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TRFLP
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650Size (nt)
137.84
138 .88
229.05
241.15
242 .25
244.88
246.15
247 .40
248.48
AluI
unc. bac. from oil field, Alaska
Clostridium alkalicellum
Desulfotomaculumgeothermicum
Sig
nal
inte
nsity
[rf
u]
Size [nt]
Petrotoga halophila
Size [nt]
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650Size (nt)
137 .80
138 .83
228 .88
240 .94
242.14
244 .78
246 .04
247.21
248 .29
612.33
AluI
unc. bac. from oil field, Alaska
Desulfotomaculumgeothermicum
Clostridium alkalicellumPetrotogahalophila
(Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism)
Mellin B May 2009Well head sample
Down hole sample
Similar bacterial community inwell head and down hole sample
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Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika
Synthesen durch Abbauenzyme• Monooxygenasen von Actinobacteria
• Styroloxid-Isomerase• Cycloisomerasen
Biologie der Rhodococcen• Genomanalyse• Stressantwort • Biotenside• Siderophore
Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität• Lagerung von CO2
• Petrotoga-Genom•Trinkwasser-Brunnen
Mikrobielle Reinigung von Bergbauwässern• Fe Oxidation: Ferrovum u.a.
• As-Oxidation• Sulfat-Reduktion
Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie
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Mikrobielle Laugung zur Metallgewinnung• Laugung von Cu aus Kupferschiefer
• Laugung von Sphaleritmit In und Ge
Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie
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Bakterielle Bergleute bei der Arbeit
Aus: J. Czichos, 1987, What´s so funny about microbiology?
CO2 BiomasseNährsalze
MeS + 2 O2
unlöslichMe2+ + SO4
2-
löslich
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
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Prozesskette zur Gewinnung von Metallenaus Erzen, Halden und Recyclingmaterial
FreibergerBiohydrometallurgisches
Zentrum
Biologie, ChemieM. SchlömannG. SchüürmannG. FrischH. EhrlichM. BertauM. Mazik
VTJ.-U. Repke
F2 F3
F4 F5
GeoC. DrebenstedtJ. Matschullat
H. MischoT. SeifertG. Heide
MetallurgieM. Stelter
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Mischo F3Design, Test in Reicher Zeche
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Abdeckung der Prozesskette: Teil 1
Erz
GemahlenesErz
Metall in verdünnter wässriger Lösung
Seifert F3Auswahl, CharakterisierungErzmikroskopie
Schlömann F2Lebensgem.Selektivität
Matschullat F3GeochemischeSpurenanalytikkomplexerProben
Drebenstedt F3Selektive Gewinnungaus, Charakterisierungvon Halden
FreibergerLagerstätte
Internat. Lagerstätten
Brechen, Mahlen
Tailings SynthetischeErzminerale
in situLaugung
Schlacken Stäube
Recycling-material
Heide F3Mineralsynthese mitDotierung, Mineral-analytik (FEREM, qRDX)
Festphase nachLaugung
+
Bio-Laugung
+
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Frisch F2
Phasendiagramm
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Abdeckung der Prozesskette: Teil 2Metall in verdünnterwässriger Lösung
Chelatbildner für Solventextraktion
Metall in konzentrierter
Lösung
Konzentrierung
ReinesMetall
Raffination
Angereichertes Metall
Repke F4Selektivität beiKonzentrierung/ Membrabtrennung,Trennung Chelate
Mazik F2Design und Syntheseselektiver Chelatbildner
Stelter F5 Elektrolyse,thermischeVerfahren
FällungKristallisation
Reaktivseparation
Schüürmann F2QuantenchemischesDesign
Bertau F2ChemischeFraktionierung, EntwicklungReaktivseparation
MembrantechnikSolvent-Extraktion
Verbund-werkstoffe
Ehrlich F2BiomimetischeVerbundwerkstoffe
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Metallurgie
BiologieChemie
Verfahrens-technik
Geo
Freiberger Biohydro-
metallurgisches Zentrum
Prozesskette zur Gewinnung von Metallen aus Erzen, Halden und Recyclingmaterial
Regionale KMU und Institutionen
Beak
Nickelhütte Aue Loser Chemie
Erz und SteinKupferschiefer Lausitz
Bauer Umwelt
Helmholtz-Institut Freiberg
IHKOberberg-hauptmann
GUB
G.E.O.S.
Beirat
Alleinstellungin D!
! Geoprofil der TU BAF
Initiative von Firmenzur Geobiotechnol.!
! Entwicklungs-potenzial
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Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika
Synthesen durch Abbauenzyme• Monooxygenasen von Actinobacteria
• Styroloxid-Isomerase• Cycloisomerasen
Biologie der Rhodococcen• Genomanalyse• Stressantwort • Biotenside• Siderophore
Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität• Lagerung von CO2
• Petrotoga-Genom•Trinkwasser-Brunnen
Mikrobielle Reinigung von Bergbauwässern• Fe Oxidation: Ferrovum u.a.
• As-Oxidation• Sulfat-Reduktion
Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Mikrobielle Laugung zur Metallgewinnung• Laugung von Kupferschiefer
• Laugung von Sphaleritmit In und Ge
Weiße Biotechnologie
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Weiße Biotechnologie
Biotechnologie: Definition der Europäischen Föderation Biotechnolog ie EFB 1989
Die Biotechnologie ist die integrierte Anwendung des Wissens aus Biologie, Chemie und Verfahrenstechnik mit dem Ziel: Mikroorganismen, Pflanzen- und Tierzellen sowie deren Bestandteile bei technischen Verfahren und industriellen Produktions-prozessen einzusetzen.
- Erzeugung von Biomasse- Herstellung von Chemikalien- Produktion von Biomolekülen- Gewinnung von Metaboliten
„Weiße Biotechnologie“
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
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GETGEOWEB – Projekt
Genomik und Transkriptomik
in Geobiotechnologie und Weißer Biotechnologie
• Nachwuchs forschergruppe
• Transnational
• Transfer von Know-How
� Biotechnologie: Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts
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Weiße Biotechnologie
Ziele:
- Enzyme- Reaktionen- Katalyse- Metabolismus- Organismus
Organismus (Meta)GenomTranskriptom
spezielle Enzyme(Biokatalysatoren)
Bibliothek
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Mikrobieller Abbau von StyrolO
O O
OH
Styrol Styroloxid Phenylacetaldehyd Phenylessigsäure
TC
S-Z
yklu
s
Mooney, A., P.G. Ward, K.E. O´Connor. 2006. Appl. Microbiol. Biotechnol. 72:1-10.Tischler, D., S.R. Kaschabek. 2012. Microbial Degradation of Xenobiotics. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300
200
400
600
800
1000
rela
tive
abun
danc
e
m/z
120
91
40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300
200
400
600
800
1000
rela
tive
abun
danc
e
m/z
120
91
Stamm 1CP
SDR StyA1 StyA2B DLH*
Regulatory-Genes StyA StyB StyC1 StyD StyC2
??? Welche Gene spielen eine Rolle ???
SMO SOI PAD
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
PAD
Anwendungen
O
OH
SMO
SOI
O
OO
SOI
SMO
M. Oelschlägel et al., unpublished. 24
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
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Weiße Biotechnologie
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
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Netzwerk
Förderung:
Die PraxisPartner des Interdisziplinären Ökologische nZentrums der TU Bergakademie Freiberg e.V.
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Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika
Synthesen durch Abbauenzyme• Monooxygenasen von Actinobacteria
• Styroloxid-Isomerase• Cycloisomerasen
Biologie der Rhodococcen• Genomanalyse• Stressantwort • Biotenside• Siderophore
Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität• Lagerung von CO2
• Petrotoga-Genom•Trinkwasser-Brunnen
Mikrobielle Reinigung von Bergbauwässern• Fe Oxidation: Ferrovum u.a.
• As-Oxidation• Sulfat-Reduktion
Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Mikrobielle Laugung zur Metallgewinnung• Laugung von Kupferschiefer
• Laugung von Sphaleritmit In und Ge
Geobiotechnologie
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GeobiotechnologieUmweltproblematik I - Saure Bergbauwässer
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
saures Bergbauwasser
Entstehung saurer Minenwässer -verursacht durch den aktiven Braunkohle-Bergbau
Photo: Barrie Johnson
Betreiber:Vattenfall Europe Mining AG
FeS2 + 3,5 O2 + H2O
Abiotische Pyrit Oxidation:
Fe2+ + 2 SO42 – + 2 H+
FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O 15 Fe2+ + 2 SO42 – + 16 H+
Mikrobielle Eisen-oxidation
relevant bei pH < 4
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Mikrobielle Eisenoxidation zur biologischen Reinigung von sauren Bergbauwässern
Mikrobielle Eisenoxidation bei pH 3
Betreiber: G.E.O.S. / Vattenfallnahe Nochten (Lausitz)
Präzipitation von Fe3+
als Schwertmannit
8 Fe3+ + SO42 – + 14 H2O → Fe8O2(OH)6SO4 + 22 H+
„ Ferrovum “ sp. Gallionella -ähnliche
SEM-Bild: G.E.O.S.30
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Photo: M. Mühling
Photo: M. Mühling
Mosler et al. (2013) Trans Tech Periodicals , IBS 2013
Genomanalyse von " Ferrovum " sp. JA12
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Arbeiten von S. Mosler
Löslichkeit von CaSO 4 : ca. 1,500 mg L –1
EU Richtlinie: 240 mg L –1
Ca(OH)2 + SO42– → CaSO4 + 2 OH–
FeS2 + 3.5 O2 + H2O
Abiotische Pyrit-Oxidation:
Fe2+ + 2 SO42 – + 2 H+
Geobiotechnologie Umweltproblematik I - Saure Bergbauwässer
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Bild: M. Mühling
Auslauf aus der Eisenoxidations-Anlage
• pH ~ 2,9
• Relativ niedrige
Fe-Konzentration
• Hohes Redox-potential
Sulfat-reichesKippengrundwasser
Mikrobielle Sulfatreduktion zur Verringerung der Sulfat-Belastung in Bergbauwässern
• pH ~ 4,8
• Relativ hohe
Fe-Konzentration
• Niedriges Redox-potential
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Arbeiten von Dipl.-Ing. R. Klein
Ent
wic
klun
g an
aero
ber
Rek
tors
yste
me
Umweltproblematik II -Verockerung von Trinkwasserbrunnen
filter 10L
Gesamt DNA
isoliere DNA
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Ro_G_AluI.G03_09053117MA
Size (n t)
6 3.33
73.85
122.28160.63
1 63.09
182.0 6
184.57
188 .19
195.39
1 97.74
212.35
223.67
232.35
234.24
236.68
238.01
246.41257.26
259 .24
293.05
407.37
genetischeFingerprint-
Analyse
Anreicherungenaus Proben und physiologischeTests
Aufreinigung u. Sequenzierung
BRUNNTEC
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Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling
Photos: M. Mühling
Sulfat [mg/L]
Schwefel [mg/L]
64 - 71 393 - 402 298 - 372 312 - 346
21 - 61 140 - 370 120 - 350 110 - 340
pH 7,5 6,45 6,2 - 6,4 6,3 - 6,5
Temperatur [°C] 14 - 15,1 10,7 - 11 10,7 - 12 10,5 - 11,4
Fe2+/Fe3+ [mg/L]
Fe2+ [mg/L] 0,27 - 0,35 5,9 - 6,8 4,0 - 5,3 3,9 - 4
0,31 - 0,37 6,7 - 8,0 4,5 - 11,3 4,1 - 4,6
Kitzscher 2 Kitzscher 15SteinbachKesselshain
Grundwasserfassung KitzscherKesselshain
16S-tag Pyrosequenzierung
( >1000 Sequenzen
des 16S rRNA Gens)
Arbeiten von M. Liebig, P. Müller & Dr. C. Steinbrenner 35
Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling