Umweltmikrobiologie zwischen Weißer Biotechnologie und ... · Erzmikroskopie Schlömann F2 Lebensgem. Selektivität Matschullat F3 Geochemische Spurenanalytik komplexer Proben Drebenstedt

Umweltmikrobiologie zwischen Weißer Biotechnologie und Geobiotechnologie

Biosaxony Meets Public 6.11.2013M. Schlömann, D. Tischler, M. Mühlling

2

Abbau organischer Schadstoffe• Halogenaromaten• Pharmazeutika

Arbeitsgebiete der Umweltmikrobiologie an der Bergakademie

Übersicht Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie Schlömann Tischler Mühling

2

3

ClcF: Chloromuconolacton-DehalogenaseStruktur und Mechanismus


Roth et al. Molec. Microbiol. 2013

3

4

Pharmazeutika: toxische Metabolite?

Filamentöse Pilze:Epicoccum nigrum DSM 838

Fenoprofen:

Sedimente ausMünzbach

4’Hydroxy-fenoprofen:


Kooperation mit UFZ-Leipzig 4

5


Synthesen durch Abbauenzyme

Cycloisomerasen

Biologie der Rhodococcen

Stressantwort



5

6


Synthesen durch Abbauenzyme• Monooxygenasen von Actinobacteria

• Styroloxid-Isomerase• Cycloisomerasen

Biologie der Rhodococcen• Genomanalyse• Stressantwort • Biotenside• Siderophore



Weiße Biotechnologie

Mikrobielle Reinigung von Bergbauwässern

• Sulfat-Reduktion

Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität

6

7





Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität• Lagerung von CO2

• Petrotoga-Genom•Trinkwasser-Brunnen

Mikrobielle Reinigung von Bergbauwässern• Fe Oxidation: Ferrovum u.a.

• As-Oxidation• Sulfat-Reduktion



Mikrobielle Laugung zur Metallgewinnung• Laugung von Kupferschiefer

• Laugung von Sphaleritmit In und Ge

Weiße Biotechnologie Geobiotechnologie

7

8





Mikrobiologie des Untergrundes• Seismizität• Lagerung von CO 2• Petrotoga-Genom•Trinkwasser-Brunnen








8

9

Hintergrund: Carbon Capture and Storage CCS

→ Struktur der mikrobiellen Lebensgemeinschaft

→ Ableitung möglicher biogeochemischer CO2 -Transformationen

---- RECOBIO 2 RECOBIO 2 RECOBIO 2 RECOBIO 2 ----


9

10

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


10

11

Analysen mikrobieller Lebensgemeinschaften:Sequenzierung von Klonbanken

DNA isolation PCR Cloning

ARDRASequencing


11

12

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


12

13











Mikrobielle Laugung zur Metallgewinnung• Laugung von Cu aus Kupferschiefer



13

14

Bakterielle Bergleute bei der Arbeit

Aus: J. Czichos, 1987, What´s so funny about microbiology?

CO2 BiomasseNährsalze

MeS + 2 O2

unlöslichMe2+ + SO4

2-

löslich



15

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


Mischo F3Design, Test in Reicher Zeche

16

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

+


Frisch F2

Phasendiagramm

17

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

18

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


18

19














19

20


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“

20


21

GETGEOWEB – Projekt

Genomik und Transkriptomik

in Geobiotechnologie und Weißer Biotechnologie

• Nachwuchs forschergruppe

• Transnational

• Transfer von Know-How

� Biotechnologie: Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts

21


22


Ziele:

- Enzyme- Reaktionen- Katalyse- Metabolismus- Organismus

Organismus (Meta)GenomTranskriptom

spezielle Enzyme(Biokatalysatoren)

Bibliothek

22


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

23


PAD

Anwendungen

O

OH

SMO

SOI

O

OO

SOI

SMO

M. Oelschlägel et al., unpublished. 24


25


25


26

Netzwerk

Förderung:

Die PraxisPartner des Interdisziplinären Ökologische nZentrums der TU Bergakademie Freiberg e.V.


27













Geobiotechnologie

27

GeobiotechnologieUmweltproblematik I - Saure Bergbauwässer

28


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

29


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


Photo: M. Mühling

Photo: M. Mühling

Mosler et al. (2013) Trans Tech Periodicals , IBS 2013

Genomanalyse von " Ferrovum " sp. JA12

31


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

32


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

33


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

34


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


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Umweltmikrobiologie zwischen Weißer Biotechnologie und ... · Erzmikroskopie Schlömann F2 Lebensgem. Selektivität Matschullat F3 Geochemische Spurenanalytik komplexer Proben Drebenstedt