Das Arbeitsgebiet des UMBs
Umweltmikrobiologie und Biotechnologie
Das UMB ist ein Fachbereich der Fakultät für Chemie und Kernfach des Bachelor/Master-Studiengangs Water Science. Mit den Arbeitsgruppen von Prof. Bettina Siebers (berufen 2008) und den kürzlich berufenen Prof. Rainer Meckenstock (2014) und Prof. Alexander Probst (2018) hat sich das Biofilm Centre in den letzten Jahren zu einem Kompetenzzentrum für Umweltmikrobiologie entwickelt.
Ziel des UMBs ist, die Ökologie und die biochemischen Grundlagen mikrobieller Prozesse in der Umwelt zu verstehen. Die Verbindung von Knowhow aus der Chemie wie z.B. Raman-Mikroskopie, Nanopartikel und Massenspektrometrie mit modernen biologischen Methoden von z.B. Genomik und Transcriptomik ermöglichen den drei Arbeitsgruppen neue Forschungsbereiche in der Mikrobiologie zu erschließen.
Unsere Untersuchungssysteme reichen von Grundwasser und Trinkwassergewinnung bis zu Extremhabitaten wie Erdölreservoire oder heiße Quellen, in denen Archaeen dominieren. Aufgrund des Verständnisses grundlegender Prozesse wird neue Biotechnologie entwickelt, die von der Wasseraufbereitung und Altlastensanierung bis zur Enzymproduktion und Entwicklung neuer Stämme („metabolic engineering“) reicht, z.B. zur Herstellung biotechnologisch relevanter Produkte und Prozessoptimierung.
Im Biofilm Centre werden vier Themenschwerpunkte bearbeitet (Abbildung 1):
- Ökologie und Umweltprozesse: Wir untersuchen die Zusammensetzung und Dynamik von mikrobiellen Systemen und entschlüsseln Umweltprozesse im Untergrund. Dazu gehen wir ins Feld und beproben z.B. den Kaltwassergeysir in Andernach, kontaminiertes Grundwasser in Düsseldorf oder auch den weltgrößten Teersee in Trinidad and Tobago. Mit modernsten Methoden der Genom-auflösenden Metagenomik und Ampliconsequenzierung werden Umweltproben auf ihre mikrobielle Zusammensetzung analysiert. Wir entwickeln auch neue Isotopenanalyseverfahren wie das Reverse Isotope Labelling, mit der man sehr sensitiv Aktivitäten und Prozesse in Umweltproben messen kann. Weiterhin werden neue Methoden entwickelt um auf der Einzelzellebene Prozesse beobachten zu können, die man in einer Population oder auch auf einer größeren Skala nicht sehen kann. Diese beinhalten z.B. Ramanmikroskopie oder „single cell sequencing“ (Probst, Meckenstock).
- Physiologie: Die beteiligten Organismen werden isoliert und charakterisiert (Meckenstock, Probst). Hier wird die Physiologie der Mikroorganismen eingehend untersucht, die die Basis für die vielfältigen Prozesse in der Umwelt bildet. Weiterhin werden diese Abbauprozesse direkt in der Umwelt untersucht. Wichtig ist hier auch das Wachstum von Mikroorganismen in Biofilmen und die Folgen der sessilen Lebensweise auf mikrobielle Prozesse (Wingender).
- Biochemie: Um die Biochemie dieser Prozesse im Detail zu verstehen, werden interessante metabolische Wege und ihre Regulation aufgeklärt (Siebers, Meckenstock). Hier werden sowohl der zentrale Metabolismus von Archaeen als auch biochemische Abbauwege z.B. von Schadstoffen bis hin zur molekularen Grundlage und zur Regulation auf Genebene und Proteinebene untersucht. Auf Ökosystemebene werden biochemische Stoffwechselvorgänge auch aufgrund von Genomik und Transcriptomik vorhergesagt, um die Biochemie in Relation zum Ökosystem zu setzen.
- Biotechnologie: Aufbauend auf das Grundlagenwissen aus den Bereichen Ökologie, Physiologie und Biochemie werden neue biotechnologische Verfahren entwickelt, um einerseits neue Enzyme oder synthetische Stämme biotechnologisch zu nutzen und andererseits Verfahren für Schadstoffabbau in der Umwelt zu entwickeln (Siebers, Meckenstock).