Hintergrund

Auf der gesamten Erde befinden sich nach wissenschaftlichen Schätzungen circa 10³⁰ Archaeen und Bakterien, welche substantielle Beiträge zu den Stoffkreisläufen unseres Planeten erbringen.

Die Vielzahl an Mikroorganismen beinhaltet ungefähr vier Millionen Spezies, jedoch sind bisher lediglich zehntausend dieser Spezies als Reinkultur verfügbar.

Es existiert eine große Wissenslücke hinsichtlich der Biologie als auch des biochemischen und biotechnologischen Potentials der meisten Mikroorganismen, die wir mit diesem Projekt verringern wollen.

 

Kultivierung aquatischer Mikroorganismen

Als multidisziplinär ausgerichtetes Team wollen wir einen transportablen Bioreaktor entwickeln, der die besonderen Bedingungen für Mikroorganismen aus aquatischen Habitaten simulieren kann. Mit Hilfe dieses Systems sollen unkultivierte Mikroorganismen aus Grund- und Trinkwasser, der tiefen terrestrischen Biosphäre und aus der Wassersäule des Ozeans isoliert werden.

All diese aquatischen Habitate vereint vor allem die vorherrschenden geringen Nährstoffkonzentrationen und das spezifische Vorkommen von bisher unkultivierten Mikroorganismengruppen.

 

Grund- und Trinkwasser

Grundwasser ist in Deutschland die wichtigste Ressource für die Trinkwassergewinnung und 70% des verteilten Trinkwassers stammen aus Grund- und Quellwasservorkommen. Zudem ist Grundwasser ein wichtiger Bestandteil des Wasserkreislaufs und als ökologisches Kompartiment, Lebensraum für eine Vielzahl an Organismen.

Eine wichtige Grundlage für die hygienische Sicherheit des Trinkwassers bietet die natürliche mikrobiologische Gemeinschaft des Wassers. Dennoch ist über die mikrobiologische Gemeinschaft im Grund- und Trinkwasser überraschend wenig bekannt.

 

Terrestrische Habitate der tiefen Biosphäre

Der kontinentale Untergrund beherbergt ca. 30% der gesamten Anzahl an Prokaryoten auf der Erde und diese Ökosysteme bergen oft auch eine komplexe Biozönose mit mehreren hundert verschiedenen Organismen, die in über 100 verschiedenen Phyla vorkommen.

Diese Organismen beherbergen ein großes genetisches Repertoire, das teilweise ein sehr vielfältiges biotechnologisches Anwendungspotential besitzt. Zum Beispiel, wurden in CPR aus der tiefen Biosphäre CRISPR Systeme gefunden, die viel besser organisiert waren als die bisher untersuchten Systeme und zeigten somit neue Möglichkeiten in der Editierung des menschlichen Genoms auf.

Die Mehrheit dieser Organismen und deren Physiologie bleibt jedoch bislang aufgrund der erschwerten Probennahmen im Vergleich zu Ökosystemen in der kritischen Zone der Erde wenig studiert.

 

Wassersäule der Ozeane

Unsere Ozeane bedecken etwa 70% unserer Erde und sind zentraler Bestandteil des globalen Ökosystems. Aufgrund der Tiefe und den damit verbundenen physikalischen Kräften, sind die Ozeane schwer zugänglich und ihre Erforschung erfordert aufwendige Schiffsexpeditionen und den Einsatz hochspezialisierter Unterwassertechnologien. Durch wechselwirkende geologische, chemische, physikalische und vor allem mikrobiologische Prozesse beeinflussen die Weltmeere das Klimasystem, die globalen Stoffkreisläufe und die Nutzbarkeit für die Menschen.

Noch wissen wir allerdings zu wenig über die biogeochemischen Mechanismen und die daran beteiligten Mikroorganismen, um präzise Stoffbilanzen zu bestimmen und die möglichen Einflüsse des globalen Klimawandels vorherzusagen.

 

Reaktoren zur Kultivierung von Mikroorganismen

Bioreaktoren zur Kultivierung von Mikroorganismen finden in der Industrie und vielen Bereichen der Lebenswissenschaften breite Anwendung. In der Regel werden diese Systeme mit hohen Mikroorganismendichten und Substratkonzentration betrieben, um maximale metabolische Leistungen ausgewählter Organismen zu erreichen. Dementsprechend sind kommerziell angebotene Systeme selten für die Kultivierung von oligotrophen Mikroorganismen geeignet. Doch gerade der Einsatz von Kulturmedien mit geringen Nährstoffkonzentrationen führten in verschiedenen Studien zu einer erheblichen Steigerung der Kultivierungseffizienz und Diversität aquatischer Mikroorganismen.

Verschiedene, indivuell konzipierte Bioreaktoren zur Kultivierung von neuartigen Mikroorganismen sind beschrieben, die meist durch einen kontinuierlichen Betrieb stetig Nährstoffe in geringen Konzentration liefern und das selektive Wachstum oligotropher Mikroorganismen fördern