In der Umwelt beeinflussen physikalische, chemische und biologische Prozesse das Wanderungsverhalten von langlebigen Radionukliden. In der Biosphäre als solches sind vor allem pro- und eukaryotische Mikroorganismen an den Stoffkreisläufen der Elemente beteiligt und führen zur Mobilisierung oder Immobilisierung vieler radioaktiver und nicht radioaktiver Elemente. Darüber hinaus sind ihre Physiologie und Biochemie dahingehend optimiert, in jedweder Umgebung dieser Erde überleben zu können und auch dauerhaft zu überleben. Daneben bestimmen die Wechselwirkung von Mikroorganismen mit Radionukliden und mit höheren Organismen das Migrationsverhalten von Radionuklide in der Natur und letztlich wie sehr die Radionuklide eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit sind. Ziel der Forschung der Abteilung Biogeochemie ist es daher, dominierende Prozesse in der Ökosphäre einschließlich der Nahrungskette zu identifizieren, die Biochemie der Prozesse auf molekularer Ebene zu verstehen und ihre Relevanz für die Radionuklidmigration nicht nur in der Natur, sondern auch im Umfeld eines Endlagers für hochradioaktive Abfälle abschätzen zu können. Neben reiner Grundlagenforschung sollen auch thermodynamische Daten generiert werden, die zu einer Verbesserung der im Rahmen einer Sicherheitsbewertung genutzten Modelle führen sollen.

Arbeitsgebiete

• Bestimmung der mikrobiellen Diversität in schwermetall- und radionuklid-kontaminiertem Wasser und Boden wie auch in Wirtsformationen von möglichen Endlagerstandorten:
  • Kulturunabhängie Verfahren:
    Extraktion von DNA, PCR, Sanger-Sequenzierung, Next Generation Sequencing (nächste Generation der Sequenzierungstechnologien)
  • Kulturabhängige Verfahren:
    Anreicherung, Isolierung, Charakterisierung und Kultivierung von mikrobiellen Isolaten aus den oben genannten Lebensräumen, z.B. Bakterien, Archaeen und Pilze
• Untersuchung der Wechselwirkung von mikrobiellen Referenzstämmen und Isolaten mit Radionukliden:
  • Biosorption, Bioakkumulation und Biotransformation von Radionukliden mit Mikroorganismen
  • Toleranz von Mikroorganismen gegenüber verschiedener Radionuklide
  • Analyse der genetischen Faktoren, die für die Zell-Radionuklid-Wechselwirkung verantwortlich sind.
  • Untersuchung bakterieller S-Layer-Proteine von Uranabfallhaldenisolaten und hier Aufklärung der Metall-Struktur-Beziehung und Metallbindung
  • Studien zur Mikroorganismen-Uran-Wechselwirkung im Flutungswasser ehemaliger Uranminen zum Zwecke einer Bioremediation und eines Upscalings der Prozesse für die Entwicklung einer Pilotanlage zur Wasserbehandlung.
• Wechselwirkung von eukaryotischen Zellen mit Radionukliden, insbesondere mit Pflanzen, Pilzen, Schwämmen und Algen.
• Untersuchung der Wechselwirkung ausgewählter Bioliganden und Modellverbindungen mit Radionukliden:
  • Komplexbildung von Actiniden mit Flavonoiden und Badionen
  • Untersuchung der Wechselwirkung von f-Elementen mit Calmodulin und Phosvitin
• Charakterisierung von mikrobiellen Prozessen, die die Bedingungen einer tiefengeologischen Lagerung von hoch radioaktivem Abfall beeinflussen können (z.B. Umwandlung von Bentonit als Barrierematerial)
• Berechnung und Bestimmung der umweltrelevanten Metallspeziation
• Überprüfung und Validierung von Transportmodellen
• Charakterisierung von Partikeln in der Umwelt, die einen Einfluss auf den Transport von Radionukliden haben
• Untersuchung der Transportprozesse von Radionukliden durch Partikel (einschließlich Mikroben) in natürlichen Wässern

Experimentelle Methoden

• Spektroskopie: LIFS (TRLFS, LIPAS), Fluorimetrie, UV-vis-NIR, XAS, Raman
• Molekularbiologie (DNA-Extraktion, PCR, Sanger-Sequenzierung, Next Generation Sequencing, heterologe Expression von Proteinen)
• Aerobe und anaerobe Kultivierung von Mikroorganismen im Labormaßstab mittels Bioreaktoren (1-50 L)
• Zellaufschluss in kleinen und großen Volumina (mittels Schwingmühle, Ultraschallaufschluss, bead ruptor, Hochdruckhomogenisator)
• Mikroskopie: CLSM, REM, TEM, AFM
• Chromatographie: HPLC, FPLC
• Proteinbiochemie (Isolierung und Charakterisierung)

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Research

In the environment physical, chemical and biological processes influence the migration behavior of long-lived radionuclides. In the biosphere mainly prokaryotic and eukaryotic microorganisms are involved in element cycles and the mobilization or immobilization of many radioactive and non-radioactive elements. Furthermore, their physiology and biochemistry are optimized to allow them to live and survive in almost all environments existing on earth even over long periods of time. Besides that, the interaction of microbes with radionuclides and with higher organisms determine the fate of the radionuclides in nature and in the end their potential threat to human health. The aim of the research in the Biogeochemistry division is thus to identify dominating processes in the ecosphere including the food chain, to understand the biochemistry of the processes on a molecular level and to estimate their relevance for the radionuclides migration not only in nature but also in an engineered subsurface e.g. a deep-geological repository for radioactive waste. Beside the fundamental research it is also intended to generate thermodynamic data to improve the safety assessment modelling.

Current research topics

• Determination of the microbial diversity in water and soil environments contaminated with heavy metals and radionuclides as well as in different host rocks for radioactive waste disposals:
  • culture-independent approaches:
    Extraction of DNA, PCR, Sanger sequencing, Next Generation Sequencing
  • culture-dependent approaches:
    Enrichment, Isolation, characterization and cultivation of microbial isolates recovered from above environments, e.g. bacteria, archaea und fungi
• Microbe-radionuclide-interactions with reference strains and isolates:
  • Biosorption, bioaccumulation and biotransformation of radionuclides by bacteria, archaea, algae and fungi
  • Tolerance of microbes to different radionuclides
  • Analysis of the genetic determinants responsible for the microbe-radionuclide interactions
  • Investigation of bacterial S-layer proteins isolated from bacteria living in uranium mining waste piles: metal-structure relationship and metal clustering
  • Studies on microbe-uranium interaction in flooding waters of former uranium mines for bioremediation and upscaling of the processes for the construction of a pilot plant.
• Interaction of eukaryotic cells with radionuclides and lanthanides in particular with plants, fungi, sponges and algae
• Investigation of the interaction of selected bioligands and model compounds with f-elements:
  • Complex formation of actinides with flavonoides and badiones
  • Investigation of the interaction of f-elements with calmodulin and phosvitin
• Characterization of microbial processes affecting the conditions in deep geological repository for radioactive waste (e.g. transformation of bentonite as barrier material)
• Calculation and determination of the metal speciation relevant to the environment
• Verification and validation of transport models
• Characterization of particles in the environment relevant to the transport of radionuclides
• Investigation of the transport processes of radionuclides by particles (including microbes) in natural water

Experimental methods

• Spectroscopy: LIFS (TRLFS, LIPAS); continuous wave fluorescence spectroscopy, UV-vis-NIR, XAS, Raman
• Molecular biology (DNA extraction, PCR, Sanger sequencing, Next Generation Sequencing, heterologous expression of proteins)
• Aerobic and anaerobic lab-scale cultivation of microorganisms in bioreactors (1-50 L)
• Cell disruption in small and large volumes (mixer mill, ultra-sonic disruption, bead ruptor, high pressure homogenizer)
• Microscopy: CLSM, REM, TEM, AFM
• Chromatography: HPLC, FPLC
• Protein biochemistry (isolation and characterization)