IR-Spektroskopie zum Nachweis von Holzabbau durch Pilze

Hintergrund: Die strukturgebenden Komponenten des Holzes - Cellulose, Hemicellulosen und Lignin - sind die vorherrschenden Biopolymere im Kohlenstoffkreislauf. Es ist bekannt, dass hauptsächlich Holzfäulepilze das lignocellulosische Material in der Natur umwandeln und dass die meisten ihrer Vertreter Basidiomyceten sind. Die Wirkung der Pilze auf das Holz versteht man jedoch noch immer nicht vollständig. Hypothese: Während Pilze auf Holz wachsen, werden dessen Strukturpolymere chemisch modifiziert und abgebaut. Die Mechanismen dafür sind sehr unterschiedlich und haben deshalb auch unterschiedliche Effekte auf die wohlgeordnete Ultrastruktur des Holzes, an der neben kovalenten Bindungen auch schwächere intra- und intermole-kulare Wechselwirkungen, besonders Wasserstoffbrücken (H-Brücken) beteiligt sind. Weiters nehmen wir an, dass durch die Bildung von Poren die Zugänglichkeit der Zellwand-schichten für kleine Moleküle einschließlich Wasser zunehmen wird. Diese Veränderungen in der Holzzellwand beginnen schon in sehr frühen Abbaustadien, wo andere Nachweismethoden versagen. Die wertvollsten Werkzeuge, um die Wechselwirkungen zwischen den Polymeren zu untersuchen, finden sich unter den fortgeschrittenen Methoden der Infrarot(IR)spektroskopie. Ziele und Methoden: Das Wissen um die Holzultrastruktur und die Holzchemie soll mit jenem zum Holzabbau durch Pilze verbunden werden. Es wird die Wirkung der Pilze anhand veränderter Wechselwirkung zwischen den Biopolymeren nachgewiesen. Dazu werden erst kürzlich entwickelte IR Methoden verwendet. Verschiedene Stufen von Braunfäule, Weißfäule und selektiver Weißfäule auf Fichtenholz werden im mittleren (MIR) und nahen Infrarot (NIR) untersucht, angefangen von sehr frühen Abbaustadien, in denen die Wirkung der Pilze kaum mit anderen Methoden nachgewiesen werden kann. Mittels dynamischer Fourier transform (FT)-MIR kann das viskoelastische Verhalten einer Holzprobe der chemischen Umgebung zugeordnet werden, die am meisten von der eingebrachten Beanspruchung betroffen ist. Von beiden wird erwartet, dass sie sich durch die Pilze schon in sehr frühen Stadien verändern. Außerdem kann man mit IR Spektroskopie in Kombination mit deuterierten Modellsubstanzen auf elegante Weise die Zugänglichkeit des immer poröser werdenden Materials zeigen. Dadurch können die neu gebildeten Poren einer chemischen Umgebung in der Holzzellwand zugeordnet werden. Die Daten werden mit multivariater Statistik und zwei-dimensionaler Korrelationsspektroskopie analysiert. Trotz der vergleichsweise geringen örtlichen Auflösung, werden wir IR Mikroskopie einzusetzen, um die untersuchten Veränderungen innerhalb er abgebauten Proben oder an bestimmten Stellen der Holzzellwände zu lokalisieren. Innovation und Relevanz: Die meist zerstörungsfreien IR Methoden, die noch nie im Zusammenhang mit pilzlichem Holzabbau verwendet wurden, werden substanziell zu folgenden noch immer untersuchten und diskutierten Themen beitragen: Der Zugänglichkeit der Zellwandpolymere für niedermolekulare Substanzen, die vermeintlich sowohl an Braunfäule als auch an (selektiver) Weißfäule beteiligt sind, in verschiedenen Abbaustadien, begonnen bei den sehr frühen; dem Einfluss der verschiedenen Pilze auf das viskoelastische Verhalten ihres Substrats Holz, und auf die Wechselwirkungen innerhalb der Holzzellwand und der Abfolge dieser Abbauprozesse, begonnen bei sehr frühen Stadien. Die ambitionierten Ziele können nur durch einen interdisziplinären Zugang erreicht werden, der Mikrobiologie, Biochemie, Holzchemie sowie fortgeschrittene Datenanalyse beinhaltet. Meine Co-Autoren und ich können zu allen diesen Feldern beitragen.