Varabilität der kinetischen Isotopenfraktionierung (13C; 37Cl) bei der mikrobiellen reduktiven Degalogenierung chlorierter Ethene: Einfluss von Wachstumsphysiologie und Schlüsselenzymen

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Felix Behrens, seit 9/2014; Professor Dr. Stefan Haderlein
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250925090

Die komponentenspezifische Isotopenanalytik (CSIA) ist eine innovative Methode den Bioabbau chlorierter organischer Substanzen in situ nachzuweisen. Sie basiert auf der präzisen Messung der Isotopenverhältnisse für organische Einzelstoffe welche sich durch kinetische Isotopenfraktionierung bei abiotischen und biotischen Reaktionen verändern. In den letzten Jahren wurde in vielen Studien d13C-Isotopenfraktionierungsfaktoren für die mikrobielle reduktive Dechlorierung gemessen, welche oft eine große Bandbreite aufweisen, sogar für den selben Bakterienstamm. Dennoch gibt es bisher kaum Studien die explizit den Einfluss von Faktoren und Prozessen wie z.B. Wachstumsbedingungen, Transport durch die Zellmembran oder Substrat-Enzym-Interaktion auf die Isotopenfraktionierung untersuchen. Bei enzymatisch katalysierten Reaktionen wird die Isotopenfraktionierung primär durch den Mechanismus der enzymatischen Reaktion bestimmt, kann aber durch Aufnahme- und Transportprozesse maskiert werden.Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, ein quantitatives Verständnis der Prozesse zu gewinnen, welche die Isotopenfraktionierung bei mikrobiellen reduktiven Dehalogenierungsprozessen steuern. Vorgesehen sind systematische Laboruntersuchungen zum Einfuß von physiologischen und genetischen Faktoren wie Art und Konzentration von Elektronendonor und- akzeptor, Vitaminen, Spurenstoffen, Wachstumsphase, Zelldichte sowie Genexpression der reduktiven Dehalogenasen. Oft weisen Organohalogen-reduzierenden Bakterien (OHRBs) eine Vielzahl an homologen Genen auf, die mögliche reduktive Dehalogenasen codieren. Als Modellorganismus für unsere Untersuchungen haben wir daher Desulfitobacterium hafniense Y51 ausgewählt, welches nur zwei reduktive Dehalogenasen besitzt, wovon eine spezifisch für Perchlorethylen (PCE) ist. Somit kann die beobachtete Isotopenfraktionierung bei der Biotransformation von PCE direkt mit dem Expressionslevel der des Enzyms in Verbindung gesetzt werden, ohne dass die gleichzeitige Expression von multiplen reduktiven Dehalogenasen berücksichtigt werden muss. Die kürzlich etablierte d37Cl Isotopenanalytik für chlorierte Ethene ermöglicht uns nicht nur die Bestimmung von Fraktionierungsfaktoren für d37Cl während der reduktiven Dechlorierung, sondern auch die Evaluation der Daten mit einer 2-dimensionalen Kohlenstoff/Chlor Matrix.Mit Kenntnis der physiologischen und enzymatischen Faktoren, welche die Isotopenfraktionierung während der mikrobiellen reduktiven Dechlorierung beeinflussen, wird unser grundlegendes Verständnis der verantwortlichen Prozesse und Mechanismen für mikrobielle Isotopenfraktionierung erweitert. Dies ist wiederum von hoher praktischer Relevanz und Grundlage für die korrekte Interpretation und Anwendung der 2-dimensionalen Isotopenanalyse zur Charakterisierung des in situ Abbaus chlorierter organischer Substanzen im Feld aber auch für die Verknüpfung von substanzspezifischen Isotopendaten mit reaktiven Transportmodellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Christine Laskov, von 11/2013 bis 8/2014