Naturwissenschaften

Öffentlich geförderte Projekte

Kopplung von Totholzabbau und Stickstoffkreislauf

Titel:
Kopplung von Totholzabbau und Stickstoffkreislauf: Diversität und Funktion von Diazotrophen (Woodstock)
Kompetenzfeld:
Bioanalytik, Sensorik und Analytik
Projektpartner:
Prof. Dr. Werner Borken, Universität Bayreuth
Projektzeitraum:
01.03.2020 – 28.02.2023
Mittelgeber:
Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Thematik

Totholzstämme sind ein hoch diverser Lebensraum vieler Arten, die zum Teil den Abbau von Totholz vollziehen und somit zum Kohlenstoff- (C) und Nährstoffkreislauf in Waldökosystemen beitragen. Das Projekt ist auf den mikrobiellen Totholzabbau fokussiert, der von Weiß- und Braunfäulepilzen und assoziierten Bakterien und Archaeen durchgeführt wird. Stickstoff (N) ist zu Beginn des Totholzzerfalls nur in geringen Mengen verfügbar. Die holzzersetzenden Enzyme der Pilze und die Synthese der pilzlichen, chitinhaltigen Zellwand benötigen signifikante Mengen an N. Somit limitiert eine geringe Stickstoffverfügbarkeit den Abbauprozess. Die mikrobielle, atmosphärische Stickstofffixierung findet durch Diazotrophe in Totholzstämmen statt; freilebende Bakterien und Archaeen sind daran beteiligt. Neben ihrer Fähigkeit zur 15N2-Fixierung und ihrer Anwesenheit auf Totholz, ist jedoch wenig über die funktionelle Diversität und Aktivität von Diazotrophen in Bezug auf Totholzstämme und deren Einfluss auf den Holzabbauprozess bekannt.

Das Ziel des Woodstock-Projektes liegt auf der Erforschung der funktionellen Biodiversität sowie Ökosystemprozessen an der Schnittfläche von Mikroorganismen im Wald und der Kohlenstoffverfügbarkeit von Totholzstämmen. Die Forscher befassen sich mit den Beziehungen zwischen Menge, Aktivität und Diversität von Diazotrophen und der Zersetzung von Baumstämmen von 13 Baumarten unter dem Einfluss des Forstmanagements, des Standortes und der assoziierten Umweltparametern.

Markierung von Säuger-Zellkulturen

Titel:
Biosynthetischer Ansatz zur Herstellung stabil isotopenmarkierter (SI=13C, 15N) Aminosäuren und Aminosäurevorläufer: Markierung von Säuger-Zellkulturen
Kompetenzfeld:
Bioanalytik
Projektteams:
SILANTES GmbH: Dr. Hermann Heumann, Moritz Oberpriller, Marcel Gundy, Sarah Magazu
HS Coburg: Prof. Dr. Stefan Kalkhof, Dr. Saskia Kraus, Dennis Krstic
Uni Bielefeld: Prof. Dr. Volker Wendisch, Irene Kran, Anastasia Kerbs
Projektzeitraum:
01.03.2020 – 28.02.2022
Mittelgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Thematik

Die Markierung mit stabilen Isotopen (SI) findet in der Biologie, Pharmazie und Medizin immer größere Akzeptanz, da durch stabile Isotope einerseits die Funktion der verschiedensten Biomoleküle nicht beeinträchtigt wird, sie jedoch durch diese Markierung eindeutig identifizierbar und quantifizierbar gemacht werden können. In diesem Forschungsvorhaben werden SI-Markierungen genutzt, um ein erweitertes Anwendungsspektrum der NMR-Strukturbiologie und der quantitativen Proteomiks zu ermöglichen.

Folgende Forschungsziele stehen im Vordergrund:

  • Eine alternative Darstellung von isotopenmarkierten Inhaltsstoffen von Zellkulturmedien.
  • Die Entwicklung eines Mediums für Säugetier-Zellkulturmedien zur Herstellung von SI-markieren Säugetier-Proteinen, die mit einfacheren Expressionssystemen nicht herstellbar sind.
  • Das Etablieren eines Nährmediums für die zellspezifische Markierung von Zellen in Co-Kulturen.

Durch diese Forschungen soll eine Kostenreduktion sowie eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten für diese Analyseverfahren erreicht werden. 

Bewertung Biozidhaltiger Baustoffe

Titel:
Ökotoxikologische Bewertung Biozidhaltiger Baustoffe mittels konventioneller und systembiologischer Methoden
Kompetenzfeld:
Bioanalytik
Projektleiter:
Prof. Dr. Stefan Kalkhof, Institut für Bioanalytik
Projektpartner:
Prof. Dr. Matthias Noll, Institut für Bioanalytik, Hochschule Coburg;
Weiterer Projektpartner:
Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME
Koordinationsstelle:
Bayerisches Landesamt für Umwelt LfU
Projektzeitraum:
02/20 bis 01/23
Mittelgeber:
Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz

Thematik

Etwa 25% der jährlich hergestellten Biozidmenge wird in Baumaterialien eingesetzt und stellt ein Risiko für Böden und Grundwasser dar. Um Beeinträchtigungen von biologischer Diversität und Aktivität der Boden-Organismen umfassend zu analysieren, werden konventionelle Methoden der Bioanalytik sowie „Omics“-basierte Verfahren aus der Genomforschung verwendet. Untersucht werden damit die Effekte repräsentativer Biozid-haltiger Baukomponenten: Gestrichene Polystyrol-basierte Isolationsplatten, Dachpappe sowie silikonbasierte Kunststoffisolationen wurden ausgewählt, weil sie aktuell im Fokus des Deutschen Instituts für Bautechnik DIBt sowie der Europäischen Chemikalienagentur stehen. Ziel ist, zu identifizieren, inwiefern Böden durch Biozid-haltige Baumaterialien beeinträchtigt werden. Ergänzend erfolgt die Untersuchung von Effekten an der Boden/Wasser-Grenzschicht sowie von Effekten im Wasser. Nachfolgend sollen die „Omics“-Methoden in enger Zusammenarbeit mit dem Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) und dem Umweltbundesamt (UBA) in praxistaugliche Standard-arbeitsanweisungen und eine Prüfrichtlinie für Baukomponenten überführt werden.

Weitere Informationen auf der Website des Bayerischen Landesamtes für Umwelt.

Zecken-Mikrobiom bestimmen, Diagnostik von Krankheitserregern verbessern

Titel:
Charakterisierung des Mikrobiomes von humanrelevanten Zecken und Optimierung der Diagnostik von zeckenassoziierten Krankheitserregern
Kompetenzfeld:
Bioanalytik
Projektleiter:
Projektzeitraum:
01.01.2018 - 31.12.2020
Mittelgeber:
Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst

Thematik

Zecken sind bekannt als Überträger von Krankheiten wie Borreliose oder FSME. Die Vielfalt an Krankheitserregern in Zecken ist aber sicherlich viel größer. Wer mit einem Zeckenstich zum Arzt geht, ist auf eine schnelle und genaue Diagnose angewiesen. Die Gesamt-DNA und RNA wird aus den Zecken isoliert und die Zeckenart als auch die bakterielle, virale und eukaryotische (parasitäre) Diversität in der Zecke mittels molekularbiologischer Methoden bestimmt. Die Wissenschaftler*innen wollen ein Analyseverfahren entwickeln, um das Mikrobiom in Zecken zu charakterisieren und evtl. weitere Krankheitserreger, die bisher bei Zecken aus Deutschland noch nicht beschrieben worden sind, detektieren zu können. Wenn diese bisher nicht-zeckenassoziierten Krankheitserreger häufig in Zecken zu finden sind, wird eine zuverlässige und spezifische Diagnostik etabliert. Somit kann auch das Risiko durch die Zecke und einer potentiellen Erkrankung besser eingeschätzt werden.

Untersuchung der antimikrobiellen Wirkung von ätherischen Ölen gegen Schimmelpilze und Hefen

Titel:
Untersuchung synergistischer Effekte der antimikrobiellen Wirkung von Bestandteilen ätherischer Öle gegen Schimmelpilze und Hefen und deren Wirkmechanismen
Kompetenzfeld:
Bioanalytik
Projektleiter:
Projektzeitraum:
01.10.2017 - 30.09.2020
Mittelgeber:
Adalbert Raps Stiftung

Thematik

Wenn Nahrungsmittel verderben, verändert sich ihre Textur, ihr Geschmack, ihr Geruch oder ihre Farbe. Dafür sind Mikroorganismen, wie z.B. Bakterien, Schimmelpilze und Hefen, verantwortlich. Was nicht mehr für den menschlichen Verzehr oder zur Weiterverarbeitung geeignet ist, wird entsorgt. Das verursacht nicht nur wirtschaftliche Verluste, sondern auch eine unnötige Verschwendung von Ressourcen.

Lebensmitteltechnologen und Lebensmittelmikrobiologen versuchen deshalb den Verderb von Lebensmitteln zu verhindern - immer wichtiger werden dabei natürliche Konservierungsmittel oder Verfahren.

Als vielversprechend erscheinen Substanzen pflanzlicher Herkunft, z.B. die Inhaltsstoffe ätherischer Öle. Sie zeigen antimikrobielle Eigenschaften. Es bestehen jedoch noch Wissenslücken hinsichtlich der Wirkung gegen einige lebensmittelassoziierte Schimmelpilze und Hefen und Synergien bei Kombinationen der Substanzen. In diesem Projekt sollen die Wirkmechanismen der Bestandteile ätherischer Öle gegenüber ausgewählten Pilzen im Detail untersucht werden. Außerdem sollen effizientere Konservierungsmittel entwickelt werden, indem man die Bestandteile ätherischer Öle kombiniert, die eine hohe antimykotische Wirkung haben.

Abgeschlossene Projekte

Intensität der Waldbewirtschaftung und Totholz – FunWood IV

Titel:| Einfluss der Waldbewirtschaftungsintensität, Baumartenidentität und der pilzlich-bakteriellen Diversität auf Ressourcennutzung, Holzabbau und Gasemissionen von Totholz - FunWood IV
Kompetenzfeld:| Umweltmikrobiologie, Bioanalytik
Projektleiter:| Prof. Dr. Matthias Noll
Projektzeitraum:| 01.03.2017 - 28.02.2020
Mittelgeber:| Deutsche Forschungsgemeinschaft

Thematik

Der Abbau von Holz in terrestrischen Ökosystemen hat weitreichende ökologische Konsequenzen. Totholz ist eine wichtige strukturelle Komponente in Waldökosystemen, die beispielsweise die Kohlenstoff-Sequestrierung und die Nährstoffkreisläufe beeinflusst und ein Habitat für holzbewohnende Organismen bietet. Das Forschungsprojekt FunWood IV setzt an diesen Ökosystemfunktionen an und testet experimentell, ob die Artenvielfalt einen Einfluss auf die funktionelle Diversität der totholz-abbauenden Gemeinschaften hat und wie diese Diversität und die Ökosystemprozesse durch die Intensität der Waldbewirtschaftung beeinflusst werden.

Das Projekt will durch die Kombination aktueller Techniken (Amplicon Gen Sequenzierung, Metaproteomics, Protein-SIP, CO2 Emissionsraten, C/N Elementaranalyse) ein vertieftes Verständnis dazu erreichen, wie pilzliche und bakterielle Lebensgemeinschaften das Totholz unter wechselnden Temperaturbedingungen abbauen. FunWood IV hat innerhalb des BeLong Dead-Konsortiums (Biodiversitäts Exploratorien im Langzeitexperiment mit Totholz) im DFG-Schwerpunktprogramm 1374 folgende Kernfragestellungen:

  • Untersuchung der funktionellen Diversität von totholzabbauenden Lebensgemeinschaften
  • Beurteilung der funktionellen und strukturellen Antwort holzabbauender Lebensgemeinschaft bei wechselnden Temperaturbedingungen und
  • Analyse des Einflusses von Waldbewirtschaftungsintensität und Baumartenidentität auf die Biodiversität und deren Beitrag zum Totholz-Abbau.

Langzeitexposion von Bakterien mit Mikrobiziden in subletalen Konzentrationen

Titel:| Langzeitexposion von Bakterien mit Mikrobiziden in subletalen Konzentrationen: Untersuchung lebender, aber nicht kultivierbarer Bakterien
Kompetenzfeld:|
Lebensmittelbiotechnologie, Umweltmikrobiologie, Bioanalytik
Projektleiter:|
Prof. Dr. Matthias Noll
Projektzeitraum:|
01.09.2016 - 31.08.2018
Mittelgeber:|
Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR)

Thematik

Viele Bakterien - darunter auch wichtige Krankheitserreger - gehen unter Umweltstress-Bedingungen in einen physiologischen Zustand über, in dem die Zellen zwar lebensfähig, aber unter Standard-Laborbedingungen nicht kultivierbar sind (sog. ‘viable but nonculturable’, VBNC-Zustand). Die Zellen können im VBNC-Zustand ihre Infektiosität erhalten oder nach einer „Wiederbelebung“ zurückgewinnen.

Der Übergang in den VBNC-Zustand wird durch verschiedene chemische und physikalische Faktoren induziert. Beispielsweise durch chemische Substanzen, die als Mikrobizide eingesetzt werden. Der VBNC-Zustand stellt unter Umständen für Bakterien eine Überlebensstrategie dar, um sich der Wirkung von Mikrobiziden zeitweilig zu entziehen. Trotz des breiten Einsatzes von antimikrobieller Substanzen besteht daher die Gefahr, dass die Subpopulationen zu wiederkehrenden Infektionen im klinischen Umfeld und persistierenden Kontaminationen in der Lebensmittelproduktion beitragen. Da Bakterienzellen im VBNC-Zustand sich nicht durch kulturbasierte Verfahren erfassen lassen, entziehen sie sich den traditionellen Nachweissystemen.

Um die Infektionsgefahr nachhaltig zu mindern, den Antibiotikaverbrauch zu verringern und die Ausbreitung von Resistenzen einzudämmen, sind risikobasierte Hygienemaßnahmen erforderlich. Sie müssen an den kritischen Kontrollpunkten ansetzen. So wird erreicht, dass die Transmissionsketten unterbrochen werden. Ziel des Forschungsprojektes ist es, detaillierte Kenntnisse über Infektionsquellen und Übertragungswege, die relevanten Erreger und ihre Eigenschaften sowie die Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Mikrobiziden zu erhalten.