Biologische Reinigung von Abgasen und Böden durch extremotolerante schwarze Pilze

Persistente Umweltgifte aus vergangenen und gegenwärtigen Industrieprozessen sowie aus Deponieschlämmen versickern in Böden und in das Grundwasser und stellen eine erhebliche Bedrohung für die Umwelt, die Nahrungskette und die Trinkwasserversorgung dar. Chemische und physikalische Reinigungsmethoden sind aufgrund ihrer Kostenintensität im Großmaßstab meist nicht einsetzbar. Die biologische Reinigung unter Verwendung von Bakterien ist unter anderem aufgrund der Sensitivität der Organsimen z.B. gegenüber Austrocknung ebenfalls nur beschränkt möglich. Eine spezielle Gruppe von Pilzen, die "schwarzen Hefen", ist außerordentlich resistent gegenüber extremen Bedingungen (Säure, Schwermetalle, temporäre Austrocknung, niedrige P und N Verfügbarkeit, hohe Temperaturen, UV und radioaktive Strahlung). Daher sind diese Pilze, deren Fähigkeit zum Abbau von Kohlenwasserstoffen und Xenobiotika bereits an ausgewählten Spezies gezeigt wurde, hervorragende Kandidaten für die biologische Reinigung von kontaminierten Böden, von Wasser oder belasteten Schlämmen. 200 Pilzstämme aus 4 phylogenetischen Gruppen werden auf ihre Fähigkeit getestet Benzen-derivate, Alkane und polychlorierte Biphenyle abzubauen. Die Stämme werden vom CBS-KNAW Fungal Biodiversity Center zur Verfügung gestellt, dort befindet sich die derzeit größte Sammlung schwarzer Hefen. Darüber hinaus sollen neue Stämme aus stark kontaminierten Böden isoliert werden. Das Transkriptom ausgewählter Kandidaten wird sequenziert (Ion Proton), so daß in Kombination mit 2-D Proteingelen Schlüsselenzyme der Abbauprozesse identifiziert werden können. Das Projekt ist die Grundlage für eine biotechnologische Umsetzung in Form von industriellen Abgasfiltern und für das set-up von fertigen Kits (Inokula), die zur Bodenreinigung eingesetzt werden können.

Schon seit einigen Jahren ist bekannt, dass schwarze Mikropilze oder auch schwarze Hefen zu den stresstolerantesten Organismen auf der Erde gehören. Die Pilze besiedeln Gesteine in allen Regionen der Erde bis hin zu den heißen und kalten Wüstengebieten und auch bis hinauf zu allen Berggipfeln. Einige Arten dieser Pilze wachsen in stark verschmutzten Gewässern und andere in stillgelegten Atomreaktoren. Auch in der Umgebung des Menschen haben sich die schwarzen Pilze eingenistet: so kommen sie in Badezimmern und Saunas vor sowie in Geschirrspülern. In seltenen Fällen lösen die Pilze gefährliche oder sogar tödliche Infektionen beim Menschen aus. Die Pilze leben ursprünglich in nährstoffarmer Umgebung und habe sich deshalb darauf spezialisiert alle verfügbaren chemischen Verbindungen als Nahrung nutzen zu können, darunter auch Giftstoffe und andere Substanzen, die von anderen Organismen nicht als Nahrung genutzt werden können. Deswegen haben wir am Extremophile Center in diesem FWF-Projekt auf der Suche nach einem biologischen Reinigungsmittel für Abgase und verseuchte Böden 163 schwarze Hefen gescreent. Neunzehn Pilzstämme konnten einen von drei getesteten Kohlenwasserstoffen abbauen. Aber nur zwei Pilze waren fähig sowohl Hexadecan, Toluen und Biphenyl abzubauen: Die Stämme Exophiala mesophila und Cladophialophora immunda wurden dann genauer analysiert. Um aufzuklären welche zellulären Vorgänge Gene und Proteine an dem Abbau von Toluen beteiligt sind, wurde die RNA der Pilze extrahiert, sequenziert und mit bioinformatischen Methoden analysiert. Auch die gesamte DNA der Pilze wurde sequenziert und analysiert. Die molekularbiologischen Verfahren wurde für diese besonderen Pilze optimiert und die bioinformatische Analyse in Form einer automatischen Software-Pipeline etabliert. Diese Pipeline steht nun auch für Analyse der RNA und DNA andere Pilze zur Verfügung. Zusätzlich zu den oben erwähnten Pilzen wurden aus Böden, die eine hohe Belastung mit Kohlenwasserstoffen aufweisen, mit einer selektiven Anreicherungsmethode Pilzstämme isoliert, die Kohlenwasserstoffe als alleinige Nahrungsquelle nutzen können. Auch hier waren die dunkel pigmentierten Pilze gegenüber den hellen Arten im Vorteil. Da die Pilze Exophiala und Cladophialophora mit humanpathogenen Stämmen nahe verwandt sind, wurde der Plan, die Pilze als Biofilter einzusetzen, vorerst auf Eis gelegt. Größeres Augenmerk in nachfolgenden Projekten wird wohl auf den Einsatz der neu isolierten Pilze, die keine Affinität zu humanpathogenen Pilzen haben, gelegt werden.