Cyanobakterien

Ursprung des modernen Lebens und Hoffnung für die Zukunft

Mit dem Wort "Bakterium" assoziieren die meisten Menschen zuerst einmal Krankheiten. Tatsächlich aber würde die Menschheit ohne Bakterien nicht existieren. So sind die Anfänge der Cyanobakterien gleichzusetzen mit dem Beginn der Entwicklung höherer Lebensformen auf der Erde.

a.) Mikrofotos des Stammes Ice2e, kultiviert bei 45 °C in 4 % IOBG-11-Medium, Maßstabslänge 5 µm, (1) DAPI-gefärbte Trichome, (2) Autofluorenszenz der Cyanobakterien, (3) Überlagerung von Färbung und Autofluoreszenz. -b.) Mikrofotos des Stammes ArgG, kultiviert bei 45 °C in BG-11-Medium, Maßstabslänge 5 µm, (1) und (2) zeigen Autofluorenszenz der Cyanobakterien, (3) Überlagerung beider Kanäle. -c.) Mikrofotos der Anreicherungskultur U, kultiviert bei 45 °C in 2 % IOBG-11-Medium, Maßstabslänge 5 µm, (1) DAPI-gefärbte fluoreszierende Zellen, (2) Autofluorenszenz der Zellen, (3) Überlagerung von Färbung und Autofluoreszenz.

Vor mehr als drei Milliarden Jahren waren sie die ersten Organismen, die oxigene Photosynthese betreiben konnten. Bei diesem Assimilationsprozess entsteht molekularer Sauerstoff als Abfallprodukt. Die photosynthetische Massenproduktion von Sauerstoff führte schließlich zur entscheidenden Verwandlung der ursprünglich sauerstofflosen in eine sauerstoffhaltige Atmosphäre, die Leben auf der Erde überhaupt erst ermöglichte.

Die größte Herausforderung für Mensch und Natur wird in den nächsten Jahrzehnten die Bekämpfung der Auswirkungen von Treibhausgasen und globaler Erwärmung sein. An der Universität Duisburg-Essen wird daher im Bereich der aquatischen Biotechnologie die einzigartige Lebensform der thermophilen Cyanobakterien erforscht.  In verschiedenartigen Photo-Bioreaktoren werden weltweit unterschiedlichste Mikroorganismen, die Licht zur eigenen Energiegewinnung nutzen, innerhalb dieser künstlichen Umgebung kultiviert. Für diese Reaktoren herrscht ein großer Bedarf an passenden Organismen.

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Das Projekt der Universität Duisburg-Essen basiert auf der Suche und Charakterisierung dieser Organismen. Diese sollen in einer meerwasserbetriebenen Versuchsanlage gezüchtet werden, welche sich allerdings in einer wüstenartigen Umgebung befindet. Da die Mikroorganismen somit neben der Photosynthese auch in der Lage sein müssen, im Meerwasser und unter extremer Hitze zu gedeihen,  fiel die Wahl konsequenterweise auf die thermophilen Cyanobakterien. Das Temperaturoptimum der auch als "Blaualgen" bezeichneten Bakterien liegt zwischen 40 und 75 °C.

Zur Erforschung der Cyanobakterien sind möglichst konstante Licht- und Temperaturbedingungen von oberster Priorität. Daher hat sich die Forschungsgruppe der Universität Duisburg-Essen für die Nutzung eines BINDER Klimaschrankes der Serie KBW mit Tageslichtlampen  und einem Fassungsvermögen von 720 l entschieden. Die wichtigsten Merkmale des Klimaschrankes sind die hohe Temperaturgenauigkeit des Gerätes sowie  die einzigartige homogene Lichtverteilung auf der gesamten Nutzfläche. Dies ist von besonderer Wichtigkeit bei der Arbeit mit phototrophen thermophilen Mikroorganismen.

Neben der Kultivierung der Stammsammlung der thermophilen Cyanobakterien werden zudem verschiedene Wachstumsexperimente durchgeführt. Experimentiert wird mit ausgewählten Kulturen unter variierenden Temperaturbedingungen sowie verschiedenen Belichtungszyklen und mit unterschiedlicher Lichtintensität. Neben den homogenen Klimabedingungen an den gesamten Proben schätzen die Wissenschaftler des Weiteren, dass durch die Vorwärmekammertechnologie des Gerätes reproduzierbare Ergebnisse garantiert sind. "In der aquatischen Biotechnologie muss reproduzierbar gearbeitet werden", erläutert Inga Vanessa Kirstein, die projektverantwortliche Wissenschaftlerin an der Universität Duisburg-Essen. "Das heißt einerseits, dass Experimente in Mehrfachbestimmungen laufen und zum anderen, dass sie sich wiederholen lassen. Innerhalb einer Versuchsreihe müssen die Parameter unbedingt stabil sein und dies ist bei BINDER zu 100 % gegeben."

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Wolfgang Sand besteht seit Anfang der 80er Jahre und beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit Themen wie biologische Laugung sowie biogene Beton- und Metallkorrosion. Der mikrobiologische Fokus liegt dabei hauptsächlich auf chemolithotrophen, (stark und gemäßigt) acidophilen Bakterien des Schwefel- und/oder Eisenkreislaufes (Thiobacillen, Leptospirillen) sowie auf Sulfat reduzierenden und Manganionen oxidierenden Mikroorganismen.

Die wissenschaftliche Ausrichtung des Arbeitskreises Aquatische Biotechnologie bezieht aktuell Untersuchungen zur Biokorrosion an (technisch genutzten) Stahlbauwerken, zur Bioflotation und Oberflächenbesiedelung sulfidischer Minerale sowie physiologische Arbeiten zur Charakterisierung diesbezüglich relevanter Bakterienstämme ein. Darüber hinaus wird die Entwicklung von Dichtungssystemen für (Ab-)Wassertransportleitungen unter besonderer Berücksichtigung der mikrobiellen Besiedel- und Abbaubarkeit vorangetrieben.

Autor:
Maike Riediger
BINDER GmbH
Im Mittleren Ösch 5
78532 Tuttlingen
Tel. +49(0)7462-2005-632
Maike.Riediger@binder-world.com

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