Promotion von Anna Schwarz

Frau M.Sc. Anna Schwarz hat erfolgreich ihre Promotion zum Dr.-Ing. mit dem Thema "Heterotrophe und mixotrophe Kultivierung terrestrischer Cyanobakterien" abgeschlossen. Frau Schwarz hat ihre Promotion an der TH Bingen im Arbeitskreis von Prof. Kai Muffler im Rahmen des FH-Uni-Forschungscluster iProcess kooperativ mit der BioVT angefertigt. Die BioVT wünscht ihr viel Erfolg im weiteren Lebensweg! 

Terrestrische Cyanobakterien gehören zu den biotechnologisch bislang wenig erforschten Organismen. Dabei stellen sie, gerade in Bezug auf die Gewinnung neuer Antibiotika, eine sehr vielversprechende Quelle dar. Sie leben in Form von Biofilmen, die eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) an Oberflächen anhaften. Die EPS besteht aus verschiedenen Substanzen, u.a. Fettsäuren, Polysacchariden und Proteinen und dient den Organismen als Schutz vor Austrocknung. In Vorversuchen konnte bereits gezeigt werden, dass EPS-Extrakte verschiedener Cyanobakterien-Stämme sowohl eine antimikrobielle Wirkung gegen gram-positive und gram-negative Bakterien als auch gegen Hefen besitzen. Obwohl es sich bei terrestrischen Cyanobakterien eigentlich um phototrophe Organismen handelt, gibt es auch einige Arten, die zu heterotrophem Wachstum fähig sind und sich daher für eine lichtunabhängige Kultivierung im Labor eignen könnten. Problem hierbei ist allerdings, dass es sich bei terrestrischen Cyanobakterien meist nicht um axenische Kulturen handelt. Oftmals liegen Mischkulturen vor, in denen Cyanobakterien mit anderen heterotrophen Bakterien koexistieren. Das Vorhandensein einer axenischen Kultur ist aber für eine heterotrophe oder mixotrophe Kultivierung unerlässlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene Axenisierungsmethoden entwickelt und ihre Anwendbarkeit an mehreren Cyanobakterien-Stämmen untersucht. Da keine Methode zu einer dauerhaft axenischen Kultur führte, liegt ein besonderes Augenmerk dieser Arbeit auch auf der Untersuchung der koexistierenden heterotrophen Bakterien. Anhand von zwei Cyanobakterien-Stämmen wurde die Auswirkung einer heterotrophen bzw. mixotrophen Prozessführung auf das Wachstumsverhalten, die EPS-Produktion und –Zusammensetzung, sowie die Pigment-Zusammensetzung betrachtet und mit den Ergebnissen der phototrophen Kultivierung verglichen. Neben der Ernährungsweise und dem Einsatz verschiedener Kohlenstoff-Quellen, wurde auch der Einfluss von Temperatur, Lichtintensität, Kultivierungsdauer und Kultivierungssystem untersucht. Dabei zeigt sich die mixotrophe Fed-Batch-Kultivierung, gerade im Hinblick auf eine gesteigerte Biomasse-Produktion, als sehr vielversprechend. Nach 5-tägiger Kultivierung wurden die Zellen erneut mit verschiedenen Kohlenstoff-Quellen gefüttert und die Auswirkungen auf die Biomasse, EPS und Pigmente untersucht. Die Versuchsergebnisse lassen darauf schließen, dass die verwendeten Cyanobakterien-Stämme Transportsysteme aufweisen, um bestimmte Mono- oder auch Oligosaccharide aufzunehmen und zur Energiegewinnung zu nutzen. Mit Hilfe von quantitativer Real-Time PCR konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Cyanobakterien in der Lage sind, heterotoph bzw. mixotroph zu wachsen und dass die Mischkulturen bei allen eingesetzten C-Quellen und über die gesamte Kultivierungsdauer, durchschnittlich aus 60 % bis 100 % cyanobakterieller Biomasse bestanden. Durch Versuche zum Einfluss der Lichtintensität und der C-Quellen-Konzentration konnte das heterotrophe und mixotrophe Wachstum mathematisch modelliert werden. Während das heterotrophe Wachstum mit Hilfe der Monod-Kinetik beschrieben werden kann, ist das mixotrophe Wachstum neben der C-Quellen-Konzentration auch von der Lichtintensität abhängig.