Die Arbeitsgruppe Meckenstock

Die Arbeitsgruppe untersucht:

1. Den anaeroben Abbau von Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs)
2. Die mikrobielle Ökologie und Limitationen von Abbauprozessen in der Umwelt
3. Struktur und Funktionieren von mikrobiellen Gemeinschaften in beeinträchtigten Gewässern
4. Mikrobielle Prozesse in Ölfilmen

1. Anaerober Abbau von Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs)

PAKs gehören zu den häufigsten und gefährlichsten Umweltschadstoffen und akkumulieren in Sedimenten und in der Nahrungskette. PAKs können mit Hilfe von Sauerstoff relativ gut abgebaut werden. Bei hoher Belastung mit organischen Substanzen wird der wenige, gelöste Sauerstoff jedoch schnell verbraucht und der Hauptteil des mikrobiellen Abbaus muss anaerob erfolgen. Wir erforschen die Biochemie dieser anaeroben Abbauprozesse und die Physiologie der beteiligten Organismen.

Wir untersuchen die Abbauwege von Naphthalin und Methylnaphthalin als einfache Modellsubstanzen für PAKs. Als ersten anaeroben Abbauweg von PAKs überhaupt, haben wir den Abbau von 2-Methylnaphthalin weitgehend aufgeklärt (Meckenstock and Mouttaki, Curr. Opp. Biotechnol. 2011). Methylierte PAKs werden über eine Addition von Fumarat and die Methylgruppe aktiviert und anschließend zu Naphthoesäure abgebaut. Naphthalin wird direkt carboxyliert, ebenfalls zu Naphthoesäure (Figur 1) (Mouttaki et al., Environ. Microbiol. 2012). Anschließend wird das bizyklische Ringsystem in mehreren 2-Elektronenenschritten reduziert wobei ein neuer Typ von Aryl-CoA-Reduktasen beteiligt ist (Eberlein et al., Environ. Microbiol. 2013).

Derzeit arbeiten wir an der detaillierten Aufklärung des Naphthalinabbauweges sowie an neuen Kulturen, die Phenanthren abbauen können.

2. Mikrobielle Ökologie und Schadstoffabbau in der Umwelt

Kürzlich haben wir Leben im Öl entdeckt, was einen Extremstandort auf der Erde darstellt (Meckenstock et al., Science 2014). Am weltgrößten Teersee der Erde, dem Pitch Lake in Trinidad and Tobago, haben wir winzige Wassertröpfchen (1-3 µl) im Öl gefunden. In diesen Miniökosystemen leben komplexe mikrobielle Gemeinschaften die das Öl aktiv von innen heraus abbauen. Wir schlagen deshalb ein neues Modell für den mikrobiellen Abbau in Ölreservoiren vor. Der Abbau findet wahrscheinlich nicht nur an der Wasser-Öl-Übergangszone im Reservoir statt, sondern auch in der mächtigen Ölphase selbst, wo große Wassermengen in Form von sehr kleinen Wassergefüllten Bereichen vorhanden sind (Figur 2). Im Rahmen eines kürzlich verliehenen ERC-Advanced Grants (EcOILogy) wollen wir herausfinden, ob das Leben im Öl eine generelle Eigenschaft von Ölreservoiren ist und ob die Mikroorganismen in den Wassertröpfchen signifikant zum Abbau der Ölreservoire beitragen. Weiterhin nutzen wir die Wassertröpfchen als Miniökosysteme um zu erforschen, wie sich Ökosysteme generell bilden und zusammensetzen.

In kontaminieren Grundwasserleitern (Aquiferen), geht der mikrobielle Abbau im Wesentlichen anaerob vonstatten, da auch hier der wenige, gelöste Sauerstoff schnell verbraucht ist. Wir haben mit Hilfe von hochauflösender Probenahme gefunden, dass eine wesentliche Limitierung des Schadstoffabbaus in der räumlichen Trennung von Schadstoffen in der Fahne und gelösten Elektronenakzeptoren (Sulfat, Nitrat, Sauerstoff) am Fahnenrand besteht. Diese Erkenntnisse haben zu neuen Konzepten für die Limitierung des mikrobiellen Schadstoffabbaus wie das „Plume Fringe Concept“ geführt, die bisherige Vorstellungen wie das Redox-Zonierungsmodell ablösen (Meckenstock et al., Environ. Sci. Technol. 2015). Wir untersuchen in diesem Zusammehang auch Long-Dinstance-Elektron-Transfer, bei dem filamentöse Mikroorganismen Elektronen aus der Oxidation von Sulfiden über Entfernungen von 1-2 cm leiten können um am anderen Ende des Filaments Sauerstoff zu Wasser zu reduzieren (Atmung).

3. Struktur und Funktionieren von mikrobiellen Gemeinschaften in beeinträchtigten Gewässern

Mikrobielle Gemeinschaften führen biochemische Prozesse durch, die für die Gesundheit ganzer aquatischer Ökosysteme von Bedeutung sind. Wir sind daran interessiert, die grundlegenden Prinzipien zu verstehen, die die Struktur und das Funktionieren von mikrobiellen Gemeinschaften bestimmen. Insbesondere versuchen wir, den Zusammenhang zwischen der taxonomischen Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften und den Prozessen zu verstehen, die von mikrobiellen Gemeinschaften als Ganzes in gesunden und beeinträchtigten Gewässern durchgeführt werden, z. B. in verschmutztem Grundwasser und in Flüssen, die anthropogenen Stressfaktoren ausgesetzt sind. Wir integrieren theoretische Modellierung, Feldstudien und kontrollierte Experimente, um die folgenden Forschungsfragen zu beantworten:

1. Welche Faktoren steuern die Empfindlichkeit mikrobieller Gemeinschaften gegenüber anthropogenen Stressoren?
2. Wie kann eine erfolgreiche Erholung von beeinträchtigten Gemeinschaften erreicht werden?
3. Wie können wir zwischen gesunden und gestörten Gemeinschaften unterscheiden?