Anwendung von Computersimulationen in der biologischen Bodensanierung

Die organische Bodensubstanz (OBS) ist ein wichtiger Bestandteil des Bodens, und spielt eine entscheidende Rolle beim Transport und der Absorption von Pflanzennährstoffen sowie Schadstoffen oder anderen Xenobiotika. Die Entwicklung und Umsetzung effizienter Strategien zur Bodensanierung ist angesichts der wachsenden Umweltverschmutzung von größter Bedeutung. Diverse technische Ansätze basierend auf unterschiedlichen Arten physikalischer und chemischer Behandlungen finden Anwendung. Die biologische Bodensanierung, bei der biologische Komponenten zum Abbau und zur Beseitigung von Schadstoffen genutzt werden, stellt eine attraktive und kosteneffiziente Alternative dar und weckte in den vergangen Jahren wachsendes Interesse. Eine Vielzahl von Enzymen, hauptsächlich bakteriellen und fungalen Ursprungs, zeigen großes Potenzial für die Sanierung. Peroxidasen, Laccasen und Oxygenasen sind nur einige der Beispiele für Enzyme, die an der Detoxifizierung verschiedener gefährlicher Substanzen, wie Lignin, Phenole und (andere) organische Stoffe etc., beteiligt sind. Ihre Aktivität variiert jedoch stark abhängig von den Umweltbedingungen und könnte im verunreinigten Boden deutlich geringer ausfallen als unter Laborbedingungen und damit ihre Nützlichkeit stark einschränken. Die OBS besteht größtenteils aus Huminstoffen wie Huminsäuren und Fulvosäuren. Wir nehmen an, dass unterschiedliche Bedingungen und Zusammensetzungen der OBS zu Unterschieden in der lokalen mikroskopischen Umgebung führen und direkt die Verteilung der Schadstoffe, sowie die Struktur und Dynamik von Enzymen beeinflussen. Computermodelle molekularer Systeme ermöglichen es uns auf den mikroskopischen Level hineinzuzoomen und auf die den experimentellen Beobachtungen zugrunde liegenden atomaren Bewegungen und Wechselwirkungen rückzuschließen und sind daher ein ideales Werkzeug um dieses Problem anzugehen. Wir haben vor Kurzem ein Online-Tool zur automatischen Generierung von physikalisch realistischen OBS Modellen, den Vienna Soil-Organic-Matter Modeler (VSOMM), entwickelt. Mit dem Modeler werden wir OBS Modelle generieren, die realistischen, experimentell verfügbaren OBS-Proben mit verschiedenen Zusammensetzungen entsprechen und diese mithilfe von Molekulardynamik Simulationen und der Berechnung Freier Energien auf atomarem Level charakterisieren. Wir wollen (1) den Effekt der Bedingungen und OBS-Zusammensetzung, sowie von oxidativen Modifikationen auf die Struktur und Dynamik von in der biologischen Sanierung nützlichen Enzymen studieren und (2) erforschen, wie Sorptionseigenschaften von ausgewählten Schadstoffen von der Zusammensetzung der OBS und den Umweltbedingungen abhängen.

Die Chemie des Bodens ist sehr komplex. Es besteht aus allen Arten von Mineralien, organischen Molekülen, Mikroben und Abfällen aus tierischen und pflanzlichen Materialien. In diesem Projekt haben wir Computermodelle für organische Bodensubstanz erstellt, da diese einen Einblick in die molekulare Zusammensetzung von Bodenkomponenten geben können. Organische Bodensubstanzen (OBS) spielen eine Schlüsselrolle bei der Zusammensetzung des Bodens und eine entscheidende Rolle beim Transport und der Absorption von Pflanzennährstoffen sowie Schadstoffen oder anderen xenobiotischen Verbindungen. Angesichts der zunehmenden Umweltverschmutzung ist die Entwicklung und Umsetzung wirksamer Strategien zur Bodensanierung von größter Bedeutung. Es gibt verschiedene technische Ansätze, die basieren auf physikalischer und chemischer Behandlungen. Insbesondere die Bodenbioremediation, bei der biologische Wirkstoffe zum Abbau und zur Entfernung von Schadstoffen eingesetzt werden, stellt eine ansprechende, Alternative dar. Es bleibt jedoch die Frage, wie Proteine, die bei der Bioremediation verwendet werden können, in der rauen Umgebung des Bodens funktionieren können. Computermodelle molekularer Systeme ermöglichen es uns, auf mikroskopischer Ebene zu zoomen und die experimentellen Ergebnisse in Bezug auf atomistische Wechselwirkungen und Bewegungen zu interpretieren. Sie sind daher ideal geeignet, um Fragen zur Wechselwirkung von Schadstoffen und Proteinen mit dem Boden zu beantworten. Aus diesem Grund haben wir ein automatisiertes Online-Tool "Vienna Soil-Organic-Matter Modeler" (VSOMM) entwickelt, um physikbasierte OBS-Modelle zu generieren. Wir haben den Modellierer verwendet, um verschiedene OBS-Modelle zu erstellen, die realistischen, experimentell verfügbaren OBS-Proben mit unterschiedlichen Zusammensetzungen entsprechen. Mit diesen Modelle haben wir molekulardynamische Simulationen und Berechnungen der freien Energie ausgeführt, um sie auf atomistischer Ebene zu charakterisieren. Daraus konnten wir lernen, wie die Zusammensetzung von SOM seine makroskopischen Eigenschaften beeinflusst und welche Teile der SOM-Moleküle am günstigsten mit Schadstoffen, Proteinen und Mineraloberflächen interagieren. Diese Informationen unterstützen unsere Forschung, um zu verstehen, wie der Boden funktioniert und wie wir ihn schützen können.