In dem Projekt ist es das Hauptziel, bei Photooxidationen (Gegenwart von Luftsauerstoff und Bestrahlung mit sichtbarem Licht (solare Einstrahlung und kuenstliche Lichtquelle) Abwasserreinigung und Synthese von Feinchemikalien durchzufuehren. Dazu wurden bisher Photooxidationen der toxischen Substrate Thiole, Sulfid und Phenole durchgefuehrt. Durch Verwendung von Photosensibilisatoren, die im sichtbaren Bereich absorbieren, kann eine weitgehende Mineralisierung u.a. von Phenolen (auch chlorierten Phenolen) erreicht werden. Mit der solarphotochemischen Synthese von Feinchemikalien ist jetzt begonnen worden.
Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.
Gesamtziel des Verbundvorhabens besteht in der Erforschung und Entwicklung neuartiger intelligenter Sensor- und Monitorsysteme zur stofflichen Charakterisierung von Prozesssubstraten und Gaserträgen in der Flüssig- und Gasphase von Biogasanlagen, um durch die verbesserte Kenntnis der den Biogasprozess beeinflussenden Faktoren (chemisch, physikalisch, mikrobiell), die Prozessstabilität zu optimalen Bedingungen in situ zu gewährleisten. Ein wesentliches Detailziel des Fraunhofer-IBP ist es, durch Kenntnis und Detektion der die Methangasbildung begleitenden Thiole und Sulfide das Fermentationsoptimum herauszufinden und einen selektiven Sensor zur Detektion schwefelorganischer Zwischenstufen zu entwickeln. Ein solcher Sensor macht die Biogasproduktion unabhängiger vom Ausgangssubstrat, d.h. auch heterogene Abfallstoffe können zielgenau vergoren werden. 1.) Aufbau und Inbetriebnahme einer Biogas-Mini-Plant-Anlage; 2.) chemische Analyse der Biogas-Phase auf schwefelorganische Verbindungen und klassisch mikrobiologische, sowie genetische Identifizierung der potentiell relevanten Substrat-Mikroorganismen; 3.) Entwicklung eines schwefelselektiven Sensors auf Basis von Metalloxid-Halbleitern (technologische Weiterentwicklung mittels Plasmatechnologie und ionischer Liquiden) und Validierung der Sensorsignale mit Hilfe der Mini-Plant-Anlage; 4.) Installation des Sensors auf eine praxisnahe Pilot-Biogasanlage; 5.) ggf. Integration des Sensors in ein multivariantes Sensor-Netzwerk.
Aquatische Pilze, die an Standorten unterschiedlicher Schwermetall- und Organikabelastung auftreten, sind bisher bezüglich ihrer Funktionen für belastete aquatische Ökosysteme unzureichend untersucht. Solche potentiellen Ökosystemfunktionen können aufgrund der bei Wasserpilzen nachgewiesenen Anreicherung und Toleranz gegenüber Schwermetallen vermutet werden, woraus sich die Frage nach damit im Zusammenhang stehenden Anpassungs- und Detoxifikationsmechanismen ergibt. Weiterhin kann eine Rolle beim Abbau natürlicher und xenobiotischer Organika angenommen werden. Aquatische Hyphomyceten sind an das Leben in aquatischen Ökosystemen angepasste Pilze, die sich vom dort vorhandenen organischen Material ernähren. In gegenwärtigen Forschungsschwerpunkten wird der Abbau von organischen Spurenkontaminanten (endokrin wirksame Verbindungen, synthetische Moschusverbindungen), die aufgrund anthropogen verursachter Emissionen zunehmend in Oberflächenwässern und deren Sedimenten gefunden werden, sowie die Anreicherung von aus Schlackehalden der Kupferschieferverhüttung im Mansfelder Land resultierenden Schwermetallen durch diese Organismen untersucht. Aquatische Hyphomyceten und fakultativ aquatisch lebende Pilze bilden das extrazelluläre Enzym Laccase, eine Oxidoreduktase mit der Fähigkeit zur unspezifischen Oxidation einer Vielzahl organischer Verbindungen. Neben schwermetallbindenden Thiol-Peptiden (Metallothioneine, Phytochelatine) wird auch eine Funktion von Laccasen bei der Detoxifikation von Schwermetallen angenommen. Laccase wird durch unterschiedliche organische Verbindungen sowie durch Metalle wie Cu, Mn und Cd induziert. Interessanterweise wurden in Laccase-Promotoren Konsensus-Sequenzen gefunden, die denen in Promotoren von Metallothionein-Genen höherer Eukaryoten gleichen (MREs = metal response elements). Dort wird die Metallothionein-Expression durch eine Reihe von Schwermetallen induziert. Um im Zusammenhang mit Umweltschadstoffen stehende Aktivitäten von aquatischen Pilzen und damit ihren Einfluß auf Umweltkontaminationen in natürlichen Ökosystemen besser einschätzen zu können, soll im Projekt der Einfluss von unterschiedlichen organischen Xenobiotika und Schwermetallen auf die Bildung Schadstoff-relevanter Proteine und Peptide (Laccasen, Metallothioneine, Phytochelatine) auf der Protein- und Genexpressionsebene untersucht werden.
An einem Hoehenprofil in der Steiermark, das sich von Tal bis Waldgrenze erstreckt (450-1770 m NN) wurden an Fichtennadeln physiologisch-biochemische Untersuchungen durchgefuehrt (S-Gehalt, Thiole, Ascorbinsaeure, Pigmente, Peroxidase, Epikutikularwachse). Die Inversionsschicht in 1000 m Hoehe ist durch das Vorhandensein schwefelhaltiger Immissionen charakterisiert. Um 1400 m NN kann keine Anreicherung von Schwefel mehr beobachtet werden, allerdings deuten die physiologischen Reaktionen auf oxidativen Stress hin. Dies laesst sich aus der Gesamtheit der physiologischen Reaktionen ablesen.