Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.
Lipide haben wahrscheinlich große Bedeutung für die Stabilisierung organischer Substanz in Böden, sie wurden aber bisher mittels moderner strukturchemischer und isotopischer Methoden nur wenig untersucht. Durch die Kombination dieser Methoden sollen erstmals gleichzeitg Aussagen über Herkunft (Pflanzen, Bakterien, Pilze) und Umsatzraten (d13C) der Lipide auf molekularer Ebene ermöglichen. Der Nutzungswechsel von Roggen- (C3-) zu Mais-Monokultur (C4-Pflanze) markierte die zugeführte Biomasse strukturell und isotopisch. Die Nutzung von Rückstellproben ermöglicht eine über vier Jahrzehnte zeitlich aufgelöste Auswertung dieses landwirtschaftlichen Freilandversuchs. Die Lipide sollen mit einer Kombination moderner struktureller, spektroskopischer und isotopischer Analysetechniken der Bodenchemie, organischen Geochemie und Biochemie untersucht werden. Untersuchungen sollen an Gesamtböden und ausgewählten PartikelgrößenFraktionen erfolgen. Die Bodenlipide werden erstmalig über eine automatisierte sequentielle Flüssigkeitschromatographie in folgende Fraktionen getrennt: a) Aliphaten, b) Ketone/Alkohole, c) Fettsäuren, d) Aromaten, e) basische Lipide und f) hochpolare Biopolymere. Diese Fraktionen sollen anschließend strukturell identifiziert (13C NMR, GC-MS) und die Fraktionen a) bis c) gesamt- und komponentenspezifisch (GC-irmMS) d 13C-isotopisch charakterisiert werden.
In den letzten Jahrzehnten gewinnen Biopolymere als Ersatz für synthetische Kunststoffe zunehmend an wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung. Die Biopolymere Cellulose und Stärke gehören dabei zu den wichtigsten nachwachsenden Rohstoffen, die stofflich für die Entwicklung und Produktion von Funktionspolymeren verwendet werden. Aufgrund ihres historisch schon sehr langen Gebrauchs, stehen sie in gleichbleibender Qualität und Reinheit zur Verfügung. Längst ist jedoch nicht das gesamte Potential dieser Naturstoffe bekannt und ausgeschöpft. Ihre molekular und übermolekular strukturell bedingten Eigenschaften lassen sich über eine gezielte chemische Modifizierung der Hydroxylgruppen breit variieren und für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche spezifisch anpassen. Durch die erhältlichen wasserbindenden, verdickenden, klebenden und haftvermittelnden Eigenschaften erfüllen sie wichtige Funktionen, beispielsweise in Nahrungsmitteln, Pharma- und Kosmetikprodukten sowie in Baustoffen, Farben und Verpackungsmaterialien. Stärkeester sind dabei besonders interessante Produkte, da diese durch die chemische Modifizierung thermoplastische Eigenschaften gewinnen können. Wie aus aktuellen Arbeiten hervorgeht, sind insbesondere Stärkeester, die durch die Umsetzung mit langkettigen Fettsäuren erhalten werden, für die Verformung zu Folien und Filmen geeignet. Ziel des Vorhabens ist es, aus thermoplastischen Stärkeestern Folien und Klebstoffe zu entwickeln, die bezüglich ihrer chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften für Anwendungen im Bereich Lebensmittelverpackung etabliert werden können. Zur Modifizierung wird das vorhandene Know-how der Antragsteller weiterentwickelt, um neue Produkte mit hoher Wertschöpfung durch die Einführung spezifischer Funktionalitäten zu schaffen und diese auch in einen technisch nutzbaren Maßstab zu überführen.
Cellulose stellt den am häufigsten vorkommenden Naturstoff unseres Planeten dar. Mit einer pflanzlichen Weltjahresproduktion von ca. 180 Milliarden Tonnen (Engelhardt, j. Carbohydr. Eur. 12, 5-14 (1995)) ist Cellulose der bedeutendste nachwachsende Rohstoff. Dieses Biopolymer findet außer in der Papier-, Pharma- und Textilindustrie in vielen anderen Bereichen (z.B. Medizin, Kosmetik, Kunststoff-Industrie) reichliche Verwendung. Trotz der großen wirtschaftlichen Bedeutung und über drei Jahrzehnten intensiver Forschung ist bisher nicht bekannt, wie Cellulose in der Pflanze gebildet wird. Informationen über die Gene und die dazugehörigen Enzyme, die die Cellulose synthetisieren, würden neue Möglichkeiten eröffnet bis hin zu transgenen Pflanzen mit erhöhtem Cellulosegehalt, einer verbesserten Qualität, aber auch der Entwicklung ganz neuer Herbizide, die gezielt die Cellulosebiosynthese z. B. von Unkräutern inhibieren können. Die Zielsetzung dieses Projektes ist es, die Proteine die an der Cellulosesynthese beteiligt sind, unter Aktivitätserhalt zu isolieren und zu charakterisieren sowie die entsprechenden Gene zu identifizieren, um so erstmals den molekularen Mechanismus der pflanzlichen Cellulosebiosynthese aufzuklären.
Lignin ist ein nachwachsender Rohstoff (Bestandteil von Holz, in etwa 30 % Gewichtsanteil der Trockenmasse), der als Biopolymer aus hoch funktionalisierten, phenolischen Makromolekülen aufgebaut ist. Dieser biogene Rohstoff fällt in der Holz- und Zellstoffverarbeitenden Industrie in großen Mengen als Neben- beziehungsweise Reststoff an und wird bis heute nur wenig stofflich genutzt. Ein Großteil wird verbrannt und energetisch genutzt. Im Sinne einer ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft und einer bestmöglichen Wertschöpfung soll in ElektrALig ein innovativer Weg aufgezeigt werden, wie die regenerative Kohlenstoffquelle Lignin großtechnisch als chemischer Grundstoff für die Herstellung von Polymerbausteinen genutzt werden kann. In einem zweistufigen Produktionsverfahren sollen dazu die im Lignin enthaltenen aromatischen Polymerbausteine chemisch aufgeschlossen, über eine konvergente elektrochemische Umsetzung zu definierten Zielstrukturen umgesetzt und so für Anwendungen in der Produktion von Polymerharzen zugänglich gemacht werden. Zusammenarbeit der Industriepartner Mercer Rosenthal, Borregaard, Covestro und Heraeus und der Ruhr-Universität Bochum mit dem Lehrstuhl CSC und der Arbeitsgruppe Apfel als ausführenden Stellen vereint eine einzigartige Expertise im Bereich der Ausgangsstoffe, der chemischen Verfahrenstechnik, der elektrochemischen Reaktionstechnik und der Polymeranwendungen. So kann eine effiziente Strategie zur stofflichen Nutzung von Lignin umgesetzt werden, die von einem grundlegenden chemischen Verständnis des Aufbaus von technisch verfügbaren Ligninen, über konkrete Teilschritte zu einem ausgefeilten verfahrenstechnischen Konzept der strom-basierten Konversion des biogenen Rohstoffes Lignin reicht.