Redox-Biogeochemie auf der Mikroskala - Biofilme und Modellsysteme

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Obst
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323566027

In der Umwelt werden Reduktions- und Oxidationsprozesse beobachtet, die mit klassischen, geochemischen Modellen nicht zu erklären sind. Immer wieder kommt es zur Koppelung von Reaktionen, die auf Grund ihrer individuellen Rahmenbedingungen eigentlich nicht möglich sein sollten. Ein wesentlicher Aspekt, der in der klassischen Biogeochemie jedoch - auf Grund der begrenzten experimentellen Möglichkeiten - oft unbeachtet bleibt, ist die die Heterogenität von Umweltsystemen. Die Entwicklung innovativer experimenteller Forschungsansätze, insbesondere im Bereich der ortsaufgelösten Analytik, ermöglichen heute, solche Prozesse und deren zu Grunde liegenden Mechanismen zu verstehen. Insbesondere die Weiterentwicklung synchrotron-basierter Röntgenspektromikroskopischer Techniken und die Weiterentwicklung laborbasierter analytischer in-situ Techniken wie etwa die Kopplung von umweltsensitiven Fluoreszenz-Farbstoffen mit konfokaler Lasermikroskopie sind hierbei besonders erfolgversprechend.Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll der Einfluss struktureller und chemischer Heterogenität in redox-aktiven Biofilmen auf der (Sub-) Mikrometerskala auf biogeochemische Prozesse systematisch untersucht werden. Im Fokus stehen dabei insbesondere Kopplungen verschiedener Redox-Kreisläufe (Fe, Mn, S) die auf Grund der makroskaligen Bedingungen dort nicht zu erwarten wären. Dabei soll auch der Einfluss dieser Kopplungen auf Nährstoff- und Schadstoffkreisläufe untersucht werden. Neben der Studie natürlicher und künstlicher Biofilme sollen mikrofluidische Modellsysteme zum Einsatz kommen, um ein grundlegendes Verständnis der Prozesse unter kontrollieren Laborbedingungen zu ermöglichen.Ziele dieses Projektes sind:1) die Charakterisierung und Parametrisierung mikroskaliger struktureller und chemischer Heterogenität von Biofilmen unter Berücksichtigung der organochemischen (z.B. redox-aktive funktionelle Gruppen an mikrobiellen, extrazellulären Polymeren), der anorganischen Zusammensetzung und des chemischen Milieus mit Schwerpunkt auf Fe, Mn und S Spezies.2) die Identifikation, Abbildung und Quantifikation von biogeochemischen Prozessen in Mikroumgebungen, insbesondere die Bindung von Nähr- und Schadstoffen, Ausfällung und Auflösung von Mineralen aber auch der Transfer von Elektronen zwischen den einzelnen Kompartimenten der redox-aktiven Biofilme.3) der experimentelle Nachweis, dass eine mikroskalige Heterogenität der Umweltbedingungen ähnliche Auswirkungen wie zeitliche Fluktuationen, etwa durch Wasserstandschwankungen haben können.4) die Identifikation welche chemischen Parameter (pH, Metallkonzentration, Redox-Potential) mikroskalige Heterogenität verursachen kann.5) die Untersuchung der organochemischen Zusammensetzung mikrobieller Polymere auf der Mikroskala in Bezug auf deren elektrische Leitfähigkeit und Funktion als Redox-Puffer6) die Abschätzung der Bedeutung der oben genannten Prozesse auf der Makroskala.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada, Polen, Schweden, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Claus Burkhardt; Professor Dr. David Emerson; Professor Dr. Stefan Haderlein; Dr. Elke Hammer; Professor Dr. Adam P. Hitchcock; James F. Lawrence, Ph.D.; Dr. Thomas R. Neu; Dr. Pelle Ohlsson; Professor Dr. Stefan Peiffer; Professorin Dr. Britta Planer-Friedrich; Professor Dr. Luca Quaroni