UNIVERSITÄRE FORSCHUNGS-EINRICHTUNGEN

UNIVERSITÄT FÜR BODENKULTUR

An der Universität für Bodenkultur werden außerhalb des Institutes für angewandte Mikrobiologie (IAM), dessen gesamte Lehre und Forschung der Biotechnologie gewidmet ist, biotechnologische Fragestellungen noch an nachstehenden Instituten bearbeitet:

Institut für Chemie, Institut für Lebensmitteltechnologie, Zentrum für Ultrastrukturforschung, Zentrum für angewandte Genetik, Institut für Wasservorsorge, Gewässergüte und Fischereiwirtschaft. Die fachlichen Schwerpunkte in der Forschung liegen derzeit in folgenden Themenbereichen:

Institut für Angewandte Mikrobiologie

Die Arbeitsgruppen des IAM sind nach methodisch/technischen Erfordernissen strukturiert. In jede Arbeitsgruppe sind auch Diplomanden und Dissertanden integriert. Das IAM versucht, in dieser Strukturierung minimal notwendige kritische Massen nicht zu unterschreiten. Die Mitteilbarkeit über die Tätigkeit der Arbeitsgruppen ist durch die eingegangenen Geheimhaltungsverpflichtungen begrenzt.

Die Arbeitsgruppe Physiologie am IAM beschäftigt sich derzeit mit den Themen: Produktion, Prozeßentwicklung und Studium der Grundlagen der Erzeugung rekombinanter Proteine in Mikroorganismen durchgeführt an konkreten Industrie-finanzierten Produktzielen. Aktuell durchgeführt wird die Prozeßentwicklung mit tierischen Zellen anhand nativer oder rekombinanter Produkte an Beispielen wie immortalisierte Zellen und Grundlagen zu immortalisierenden Effekten, Hybridoma Technologie (humane monoklonale Antikörper), Expression rekombinanter Produkte in Standardzellinien wie CHO, VERO, BHK und andere, Verfahrenstechnik hierzu (wie z.B.: Fließbettreaktoren für die Massenkultur und Produktion mit tierischen Zellen; Prozeßkontrolle mit rekombinanten E.coli).

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Proteinengineering, also der gezielten Veränderung und Verbesserung der Eigenschaften von Proteinen. Computergestützte Modellierungen von Proteinen werden durchgeführt, um die Art der jeweiligen Veränderung besser abschätzen und planen zu können. Als Modelle dienen antigene Strukturen (Epitope) verschiedener Krankheitserreger, die mit Hilfe gentechnischer Methoden in Trägermoleküle eingefügt werden und so in Form von rekombinanten Proteinen als Impfstoff eingesetzt werden können. Bei der Auswahl der Trägermoleküle wird besonderes Augenmerk auf deren Unbedenklichkeit gelegt sowie auf das Vorhandensein experimenteller Grundlagen wie z.B. Kristallstrukturen, die eine wichtige Voraussetzung für das gezielte Verändern eines Proteins darstellen.

Außerdem werden Arbeiten mit humanem Serumalbumin (HSA) durchgeführt, wobei die Aufklärung der Wechselwirkung zwischen HSA und verschiedenen Liganden wie z.B. Fettsäuren, Bilirubin und verschiedenen Chemotherapeutika im Vordergrund steht. Zu diesem Zweck werden Subdomänen des HSA zur Expression gebracht sowie durch Mutationen der Einfluß einzelner Aminosäuren auf die Ligandenbindung definiert. Ziel dieser Arbeiten ist es, die Bindungs- und Transporteigenschaften des HSA optimal für das Engineering therapeutisch wirksamer Substanzen auszunützen und einzusetzen.

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich derzeit hauptsächlich mit der Verbesserung von Produktionssystemen und -stämmen für rekombinante Proteine in Bakterien und Hefen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Anforderungen der Bioprozeßtechnik gelegt. Im Zuge der jahrelangen Beschäftigung mit rekombinanten Escherichia coli konnte gezeigt werden, daß selbst diese "Haustiere" der heterologen Proteinproduktion auf genetischer Ebene noch beträchtliches Optimierungspotential besitzen, etwa in der Verbesserung von Translationssignalen oder der Anpassung der Produktbildungsrate an die Stoffwechselleistungen der Zelle. Hefeexpressionsleistungen (z.B. Saccharomyces cerevisiae und Pichia pastoris) werden mit derselben Zielsetzung bearbeitet. In der Zukunft soll einerseits das gewonnene Know How genützt werden, um weitere Proteinproduktionsstämme zu etablieren und zu optimieren, darüber hinaus soll das Stoffwechselengineering in Hinblick auf andere Produkte verstärkt bearbeitet werden.

Ein weiterer Bereich der Arbeitsgruppe ist das rationale und/oder empirische Design von Resistenzgenen, die Pflanzen vor Pathogenen, wie z.B. Viren schützen können. Dabei werden extra- und intrazelluläre Genbanken verwendet, die chemisch synthetisiert werden. Solche synthetische Genbanken werden auch für die Verbesserung und Entwicklung von Pflanzenpathogen-Diagnostika eingesetzt.

Seit dem Jahre 1982 ist eine Arbeitsgruppe Proteintechnologie und Downstreamprocessing am IAM etabliert. Diese Arbeitsgruppe beschäftigt sich komplementär zu den Arbeitsgruppen Zellkultur und Fermentation mit der Aufarbeitung und Charakterisierung von Substanzen, die von Mikroorganismen und Zellen produziert werden. Die Arbeitsschwerpunkte liegen bei monoklonalen Antikörpern, Antikörperfragmenten, Bindungspeptiden und rekombinanten Proteinen. Neben der Charakterisierung und Sequenzierung der Proteine werden auch Prozeßentwicklung und Studien von Scale-up-Phänomenen systematisch durchgeführt. Es werden Computer-Modelle für Aufarbeitungsverfahren entwickelt. Da dem Institut auch ein Biotechnikum zur Verfügung steht, können viele dieser wissenschaftlichen Arbeiten im Pilotmaßstab verifiziert werden.

Die Arbeitsgruppe Fermentation beschäftigt sich mit der Optimierung rekombinanter Fermentationen. Im Rahmen dieser Arbeiten werden die Zusammenhänge zwischen der Expression des rekombinanten Proteins und der daraus entstehenden Stoffwechselbelastung der Wirtszelle untersucht. Diese wird an Hand von zelleigenen 'biochemischen Indikatoren', wie z.B. durch Detektion des stringent Response, charakterisiert und ermöglicht in der Folge eine Anpassung der Expressionsrate des rekombinanten Proteins an das Synthesepotential der Wirtszelle. Diese Arbeiten liefern grundlegende Daten für die Optimierung rekombinanter Fermentationen und für das Scale up industrieller Prozesse. Einen weiteren Schwerpunkt bildet der Einsatz von Biosensoren in der Prozeßkontrolle von mikrobiellen Fermentationen (Glukose, Ethanol) und bei der Kultivierung von tierischen Zellen (Glukose, Laktat, Glutamin/Glutamat). Die Biosensoren werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Biochemie und molekulare Zellbiologie der Universität Wien (Prof. Pittner) für den Einsatz in der Fermentationstechnik entwickelt. Die oben angeführten Problemstellungen werden in Kooperation mit der Industrie mit Förderung des Forschungsförderungsfonds (FFF) durchgeführt.

Die am IAM integrierten Arbeitsgruppen sind ein idealer Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer bzw. verbesserter biotechnologischer Produktionsverfahren. Durch das Zusammenspiel der verschiedenen Disziplinen, können in kürzest möglicher Zeit neue Verfahren bis zum industriellen Maßstab entwickelt werden. Der letzte Schritt in diesem "Scale-up" ist die Produktion von Produktchargen im Technikumsmaßstab. Das IAM verfügt über ein modernstes, multifunktionales Biotechnikum. Fermentationen mit unterschiedlichsten Organismen (Mikroorganismen, Zellkulturen) sind in dieser modularen, computergesteuerten Anlage möglich. Das Design der Anlage und das Layout der Räumlichkeiten lassen eine GMP (nach den Regeln des Good Manufacturing Practice) konforme Produktion von begrenzten Mengen gewünschter Biologika für in vitro und in vivo Studien (klinische Tests) zu. Die Arbeitsgruppe Biotechnikum ist ferner innerhalb des IAM für das "Scale-up" der im Labor entwickelten Produktionsverfahren als auch für das Anlagendesign (Steriltechnik, Fermenterdesign) und die Entwicklung neuer Prozeßleitstrategien (Softwareengineering) verantwortlich.

Die Arbeitsgruppe Pflanzenbiotechnologie am IAM beschäftigt sich mit der Erhaltung alter Kulturpflanzen und deren natürlicher Gen-Ressourcen, mit der Verbesserung des phytosanitären Zustandes und mit der Entwicklung neuer Züchtungsmethoden, um wesentliche Eigenschaften, insbesondere Pathogenresistenzen, in Kultursorten rasch und gezielt einzubringen. Als Modell werden derzeit Obstgehölze und Reben bearbeitet, wobei großes Augenmerk der wirtschaftlich sehr bedeutenden Scharka-Virose des Steinobstes und der Reisigkrankheit der Rebe geschenkt wird. Obstgehölze werden in vitro kultiviert, durch Meristemkultur virusfrei gemacht und vermehrt; Methoden zum Gentransfer und zur Zellhybridisierung werden entwickelt; Resistenzgene werden isoliert und kloniert; Entwicklungsprozesse (Organogenese, Embryogenese) werden molekularbiologisch und physiologisch charakterisiert. Weiteres wird die Fermentation von Zell- und Gewebekulturen zur Vermehrung von Pflanzen sowie zur Stoffproduktion bearbeitet.

Während der letzten Jahre hat sich das Tätigkeitsfeld der Arbeitsgruppe entsprechend den vielfältigen umwelttechnischen Aufgabenstellungen stark diversifiziert. Ausgehend von der aeroben und anaeroben Mineralisierung von Schadstoffen in Abwasser, Abluft und Boden werden sowohl mikrobiologische Grundlagen als auch darauf basierend verfahrenstechnische Optimierungen erarbeitet. Die Projekte, die meist direkte Industriekooperationen darstellen, beschreiten immer den Weg von der Grundlagenuntersuchung im Labor bis zur technischen Umsetzung in der Praxis. Neben anaerob-aeroben Abwasserreinigungsanlagen wurden die Grundlagen und Auslegungsparameter für biologische Abluftreinigungsanlagen (Biofilter) und Bodendekontaminationsverfahren erarbeitet. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist die Methodenentwicklung und -evaluierung betreffend biologischer Aktivitäts-, Abbaubarkeits- und Toxizitätsbestimmungen sowie die Isolierung und Verbesserung von Mikroorganismen mit speziellen metabolischen Fähigkeiten. Insbesondere der Abbau von Kohlenwasserstoffen, sowie die damit verbundenen Fragen der Optimierung von Stoffübergang und Substratverfügbarkeit werden behandelt. Ein wichtiger Arbeitsschwerpunkt ist die Entwicklung abfallfreier, bzw. -armer Produktions- und Entsorgungsverfahren im Sinne der Etablierung geschlossener Stoffkreisläufe. Als abfallfreies Entsorgungsverfahren wird der Einsatz von Membranbioreaktoren zur überschußschlammfreien Abwasserreinigung untersucht. Im Hinblick auf die Kreislaufschließung und bessere Nutzung von Ressourcen werden in Zukunft verstärkt biotechnologische Verfahren zur Verwertung von organischen Abfällen sowie landwirtschaftlichen Rohstoffen zur Produktion von Wertstoffen untersucht.

Zentrum für Angewandte Genetik

Am Zentrum für Angewandte Genetik (ZAG) werden Projekte bearbeitet, die teils der Grundlagenforschung, teils der anwendungsorientierten Forschung zuzurechnen sind. Bei nachfolgend umrissenen Projekten liegt die sogenannte biotechnologische Vorfeldforschung im Zentrum unseres Interesses:

1. Bereich tierische Zellbiologie - Der Schwerpunkt der Projekte liegt auf der modellhaften Untersuchung von zellbiologischen Prozessen, wie Biosynthese, Reifung, Transport sowie Sekretion von Proteinen in kultivierten Zellen.

Insbesondere folgende Themen werden zur Zeit bearbeitet:

- Untersuchung des Potentials von Insektenzellinien für Glykosylierungsreaktionen in Hinblick auf die Expression rekombinanter Glykoproteine mit Hilfe des Baculovirus-Expressionssystems
- Untersuchung von Möglichkeiten zur in vivo-Modulation der Biosynthese von N-glykosidisch gebundenen Oligosacchariden in kultivierten Insektenzellen durch genetic engineering
- Untersuchung von Struktur-Funktionsbeziehungen sowie Regulation der Genexpression von Glykosyltransferasen
- Untersuchung der protektiven Rolle von "Hitzeschockproteinen" in kultivierten Zellen

2. Bereich pflanzliche Zellbiologie - Am Parademodell der Pflanzengenetiker, dem Kreuzblütler Arabidopsis thaliana, werden Regulationsmechanismen der Zellteilung und Zellexpansion im Zuge der Wurzelentwicklung studiert.

3. Bereich molekulargenetische Analytik - Hinsichtlich molekulargenetischer Analytik auf DNS-Ebene existieren am ZAG folgende Aktivitäten:

- Genotypisierung von Milchproteingenen aus dem Sperma von Jungstieren
- Entwicklung und Anwendung von DNS-Markern ("Gensonden"), insbesondere von "Mikrosatelliten"-Sonden, als Werkzeug für die Forstgenetik und zur Identifizierung von Genotypen bei Kulturpflanzen.

Zentrum für Ultrastrukturforschung

Am Zentrum für Ultrastrukturforschung werden umfangreiche Forschungsarbeiten zur Aufklärung der Struktur, Chemie, Morphogenese, Funktion sowie des Anwendungspotentiales von zweidimensionalen (Glyko)proteinkristallen (sog. S-Schichten) durchgeführt. Diese von Eu- und Archaebakterien gebildeten supramolekularen Zellwandoberflächenstrukturen werden halbtechnisch in kontinuierlicher Fermentation gewonnen.

Schwerpunktmäßig werden S-Schichten in folgenden Bereichen eingesetzt:

Herstellung von Ultrafiltrationsmembranen mit steilen Trennkurven, genau definierten physikochemischen Oberflächeneigenschaften und hohem chemischen Modifikationspotential.
Entwicklung von Trägerstrukturen zur Immobilisierung von funktionellen Makromolekülen (z. B. Enzyme, Antikörper, Antigene, Protein A) in Form monomolekularer Schichten. Dabei können wahlweise auch die Eigenschaften der molekularen Siebeigenschaften der S-Schicht erhalten bleiben. Anwendungen für diese funktionalisierten S-Schicht-Träger ergeben sich insbesondere in Bereichen der Diagnostik (Teststreifenentwicklung), Enzymmembranen, Protein A Membranes und Protein A Microcarrier (für den Cross-flow Betrieb) sowie biokompatibler Oberflächen.
Basisstruktur für die Entwicklung von Biosensoren einschließlich optochemischer Sensoren.
Biomimetische Membranen, die dem supramolekularen Grundbauprinzip des Zellwand-Membrankomplexes von Archaebakterien entsprechen. Diese Verfahren erlauben erstmals eine großflächige Stabilisierung von Langmuir-Blodgett-Filmen und rekonstitutierten funktionellen Biomembranen.
Liposomentechnologie: S-Schicht-stabilisierte Liposomen als Immobilisierungsmatrix für funktionelle Moleküle.
Entwicklung von Impfstoffen durch Bindung von Antigenen, Haptenen und/oder immunogenen bzw. immunstimulierenden Substanzen an vesikulare S-Schichten.
Molekulare Nanotechnologie, Rekristallisation von S-Schichten auf festen Trägern (z.B. Si-Wafer), Verwendung als Matrix und Resistmaterial zur Nanostrukturierung.

Die Forschungsarbeiten werden in enger Kooperation mit dem Ludwig Boltzmann-Institut für Molekulare Nanotechnologie (Voorstand: U.B. Sleytr) von insgesamt 32 Mitarbeitern geführt.

Institut für Lebensmitteltechnologie (ILMT)

Forschung mit biotechnologischen Aspekten wird insbesondere in nachstehenden Arbeitsbereichen betrieben:

1. Enzymtechnische Transformation von Kohlenhydraten und Fetten bis zum Pilotmaßstab (Enzymtechnologie) unter Nutzung nachwachsender pflanzlicher Roh-stoffe (Stärke, Zucker, Inulin, Pektin, Cellulose, Hemicellulose sowie Lactose):

Synthese von Lebensmittelzusatzstoffen (organische Säuren, Zuckeraustauschstoffe, Vitamine, Emulgatoren, Frierschutzmittel, Aromastoffe) durch enzymatische Hydrolyse-, Redox- und Isomerisierungsprozesse
Herstellung mikrobieller Enzympräparate
Mechanistische Untersuchungen der Hydrolyse von Cellulose und Hemicellulose (Kinetik, Enzymadsorption, Synergismus)
Kontinuierliche Enzym-Membran-Re-aktoren für die Regeneration nativer Coenzyme
Produktaufarbeitung durch Membran-verfahren (wie UF, NF, RO, EDCB)
spezifische enzymatische Synthesen in Gegenwart nichtwässriger Lösungs-mittel (z.B. Mikroemulsionen)

2. Herstellung fermentierter Lebensmittel (Übertragung und Adaptierung außereuropäischer fermentierter Lebensmittel auf heimische Verhältnisse und Rohstoffe).

3. Feststoff-Fermentation landwirtschaftlicher Neben- und Abfallprodukte.

4. Untersuchungen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der technischen Äthanolgewinnung insbesondere auf den Gebieten der Schlempeaufarbeitung und des Aufschlusses stärkereicher Rohstoffe

5. Biotechnologie fruktanhältiger Pflanzen (Topinambur, Zichorien)

Gewinnung von nativem Inulin im halbtechnischen Maßstab Inulinmodifikation (Oligosaccharide).

Institut für Wasservorsorge, Gewässerökologie und Abfallwirtschaft

Biotechnologische Forschung wird am obigen Institut in folgenden Bereichen betrieben:

1. Wasseraufbereitung

2. Abwassertechnik

3. Müll- und Abfallbehandlung

1. Wasseraufbereitung (Grundwasser, Uferfiltrat)

Biologische Reduktion organischer Inhaltsstoffe

Biologische Enteisenung, Entmanganung

Biologische N-Elimination

Untersuchungen zur Wiederverkeimung von Trinkwasser

2. Behandlung kommunaler und industrieller Abwässer

Optimierung kommunaler und industrieller Abwasseraufbereitung

Optimierung konventioneller Systeme

Erprobung und Entwicklung neuer Systeme bzw. deren Kombinationen, auch Kombinationen biologischer mit chemischen Systemen. Beispiele für untersuchte Systeme: Abwasserteiche, Pflanzenanlagen, aerobe und anaerobe Verfahren, Misch- und Festbettreaktoren. Beispiele für untersuchte Industrieabwässer: Holz-, Papier-, Zellstoff- und Lebensmittelindustrie

Im Rahmen der biologischen Behandlung von Abfällen wird Forschung in den folgenden Arbeitsschwerpunkten betrieben:

- Entwicklung von Untersuchungsmethoden für eine Bewertung von organischen Substanzen hinsichtlich des kurz-, mittel- und langfristigen Emissionsverhaltens bei deren Ablagerung in Deponien (gasförmige und flüssige Emissionen)

-Untersuchungen zum Abbauverhalten von organischen Substanzen in geschlossenen technischen Systemen (Aerob- und Anaerobanlagen) zum Zweck der Optimierung dieser Systeme

-Systembedingtes Entstehen von Geruchsstoffen bei der Kompostierung und verfahrenstechnische Maßnahmen zur Verbesserung der diesbezüglichen Emisssionssituation.

Institut für Bodenforschung und Baugeologie

Die Abteilung Bodenforschung wendet im Rahmen umweltrelevanter Forschung auch biotechnologische Verfahren an, wobei derzeit folgende Forschungsschwerpunkte bestehen:

Mikrobiologische Aktivitäts- und Umsatzmessungen im Rahmen des Umwelt-Monitoring, insbesondere Auswirkungen von Schwermetallbelastungen, sowie Belastungen durch organische Schadstoffe auf mikrobiologischen Aktivitäten in Böden;
Mikrobielle Umsetzungen bei spezifischen Kompostierungstechniken und deren Auswirkungen auf die Kompostqualität, sowie auf den Boden und das Grundwasser;
Optimierung rückstandsanalytischer Extraktionsverfahren (SFE) für Fragen des Umwelt-Monitoring;
Daneben werden spezielle Ausschnitte des N-Kreislaufes in landwirtschaftlichen Böden mikrobiologisch untersucht, insbesondere Prozesse, die zu gasförmigen Stickstoffverlusten führen.

Institut für Chemie

Die Arbeitsgruppe Analytische Chemie wurde 1993 gegründet, und 1995 wurde ein hochauflösendes Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Argon-Plasma als Ionenquelle angeschafft. Die ICP-MS ist derzeit die empfindlichste Methode für die Element-Spurenanalyse. Mit diesem Großgerät können die meisten Elemente des Periodensystems und ihre Isotope simultan bis zu Konzentrationen im sub-ng/g Bereich gemessen werden. In interdisziplinärer Zusammenarbeit mit anderen Gruppen werden Fragestellungen aus dem Bereich der Umweltanalytik (Boden, Wasser, Pflanzen) bearbeitet.

Die Synthese von komplexen Kohlenhydraten an Zelloberflächen von Bakterien und Eukaryonten in Form von artifiziellen Antigenen und multivalenten Haptenen, die für diagnostische Anwendungen eingesetzt werden, steht im Vordergrund. Bearbeitet werden insbesondere essentielle Komponenten bakterieller Lipopolysaccharide der Enterobakterien und Chlamydien, die human- und tierpathogene Spezies umfassen. Die synthetischen Oligosaccharide und davon abgeleitete Neoglykoproteine dienen zur Induktion und Bestimmung der Epitopspezifität poly- und monoklonaler Antikörper, die gegen die strukturell konservierte Domäne der äußeren Zellmembran gerichtet sind. Konformationsanalyse mittels NMR-Spektroskopie, Röntgenstrukturanalysen von Kohlenhydrat-Liganden und der Fab-Fragmente monoklonaler Antikörper und "molecular modelling" werden in internationalen Kooperationen durchgeführt, um einen detaillierten Einblick in die Protein-Kohlenhydrat Wechselwirkung zu erhalten.

Im Mittelpunkt der Forschungstätigkeit stehen Strukturen, Biosynthese und bio-logische Bedeutung von Protein-gebundenen Kohlenhydraten. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der N-Glykosilierung in Insektenzellen, welche für die Produktion rekombinanter Glykoproteine in Frage kommen. Mit Hilfe von HPLC, GC-MS, spezifischen Enzymen und NMR-Spektroskopie gelang es, die Strukturen des Asparagin-gebundenen Kohlenhydrates der Phospholipase A2 aus Bienengift aufzuklären und die Strukturen der N-Glykane der Bienengift Hyaluronidase und der Membranglykoproteine kultivierter Insektenzellen zu analysieren.

In Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Angewandte Genetik der BOKU werden auch die Schlüsselenzyme der N-Glykan-Prozessierung untersucht. Die neuartigen Kohlenhydratstrukturen der Insektenzellen, welche normalerweise in Säugetier-Glykoproteinen nicht vorkommen, wirken immunogen; so wurde gezeigt, daß ein großer Prozentsatz von Bienengiftallergikern IgE-Antikörper gegen fuko-sylierte N-Glukane bildet.

Für den Einsatz von herkömmlichen und alternativen Polysacchariden in industriellen Anwendungsbereichen (Lebensmitteltechnologie, Nutzung nachwachsender Rohstoffe) werden Eigenschaftsprofile gefordert, die nur durch eine gezielte Auswahl der Rohstoffe unter Anwendung adäquater analytischer Verfahren mit nachfolgenden Modifizierungsschritten zu erreichen sind. Durch die gezielte Verwendung von pflanzeneigenen Enzymsystemen werden Modellsysteme entwickelt, die aus vor-liegenden Strukturuntersuchungen mit physikalisch-chemischen Methoden (GPC, HPLC, SEC-LALLS) Aussagen für technologische Anwendungsmöglichkeiten liefern.

Untersucht wird der Einfluß von Umweltfaktoren auf das physiologische Verhalten von Bäumen. Im Rahmen der Holzchemie werden Methoden zur Isolierung, Identifizierung und Quantifizierung von Holzinhaltsstoffen -im speziellen von löslichen Zuckern und Ligninvorstufen- ausgearbeitet und die molekulare Struktur der polymeren Holzbestandteile (Lignin, Cellulose und Hemicellulosen) untersucht.

Im Vordergrund der Untersuchungen steht der Einfluß von Umweltfaktoren auf das physiologische Verhalten von Pflanzen. Dabei wird die Rolle von Häm-Enzymen -im besonderen Peroxidasen und Katalasen- bei umweltbedingtem (oxidativem) Stress in Pflanzen bearbeitet. Durch Kombination verschiedener proteinchemischer Verfahren werden Peroxidasen und Katalasen aus ausgewählten Pflanzen isoliert, charakterisiert und hinsichtlich ihres Reaktionsmechanismus untersucht. Weiters werden lichtabhängige Reaktionen im Zusammenhang mit der photodynamischen Krebstherapie bearbeitet. Ziel ist dabei die Entwicklung neuer Farbstoffe aus naturstoffen mit geringer Toxizität (Chinone, Alkaloide).

UNIVERSITÄT WIEN

Die Arbeitsgruppe F. Pittner kombiniert interdisziplinäre Erfahrungen auf dem Gebiet der Protein- und Nucleinsäure - Immobilisierung, der Bioreaktorentwicklung und der medizinisch-chemischen Analytik für Grundlagenforschung und angewandte Technologie für kommerzielle und industrielle Verwertung. Folgende Ziele werden derzeit verfolgt :

Entwicklung von Biosensoren :

Mikrostrukturierte Biosensoren mit amperometrischen Meßprinzipien werden derzeit neu entwickelt bzw. bestehende Entwicklungen weiter optimiert. Glukosesensoren konnten durch photostrukturierbare Membranen aus eigener Entwicklung im Hinblick auf ihre Biokompatibilität signifikant verbessert werden. Die sterilisierbaren Sensoren sind zur Messung in Vollblut geeignet. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Mikrobiologie der Universität für Bodenkultur Wien konnten diese Sensoren zusammen mit neuen Glutamin-Glutamatsensoren zur Fermentationskontrolle in Bioreaktoren mit tierischen Zellen eingesetzt werden.

Auch die Entwicklung neuartiger DNA -Sensoren wird derzeit mit Erfolg vorangetrieben. Das Ziel ist Gensonden auf Sensorbasis mit biochemischen Verstärkersystemen (PCR, LCR) zu konstruieren um den Analyseaufwand und die Analysezeit zu minimieren und die Verwendung von radioaktiven Isotopen zu vermeiden. Diese Sensoren sollen die direkte Virus- und DNA-Analyse durch Arzt bzw. Patient ermöglichen.

Auch Biosensoren mit immunologischem Arbeitsprinzip werden bearbeitet. Damit sollen Proteohormone im Blut rasch und einfach detektierbar gemacht werden. Auch ein HIV - Multisensor ist im Entstehen.

Auf dem Gebiet der faseroptischen Sensoren gibt es Entwicklungen zu einem Biosensor - Prototyp für die Direktmessung von Antitumormedikamenten in Geweben unter Verwendung eines cw - Halbleiterlasers.

Vor kurzer Zeit wurde von der Arbeitsgruppe ein völlig neuartiges Sensorprinzip entwickelt, es handelt sich dabei um Gleichgewichts - Verdrängungssensoren auf Lekinbasis mit elektrochemischem Meßprinzip. Ein Glukosesensor ist als Prototyp vorhanden, die Tauglichkeit dieses Arbeitsprinzips für weitere Analyte wird untersucht.

Die Gruppe arbeitet im Rahmen der oben beschriebenen Projekte teilweise mit anderen Universitätsinstituten zusammen und hat diverse Firmenkooperationen.

Enzymbioreaktoren :

Seit vielen Jahren entwickelt die Arbeitsgruppe Bioreaktoren mit immobilisierten Enzymen, die durch chemisches Engineering für den Einsatz in organischen Lösungsmitteln adaptiert werden. Diese Reaktoren dienen als miniaturisierte Laborreaktoren für analytische Zwecke aber auch im Pilotmaßstab für organische Synthesen regio bzw. stereoselektiver Produkte. Auch in diesem Rahmen bestehen Firmenkooperationen.

Institut für Mikrobiologie und Genetik

1. Zellaufschluß von Bakterien durch Expression klonierter Lysegene

Mit Hilfe eines neu entwickelten Verfahrens kann der Aufschluß von Bakterien durch Expression klonierter Lysegene erfolgen. Natürliche oder rekombinante Genprodukte, die im Cytoplasma der Bakterien vorkommen, können mit dieser Methode schonend und effektiv in das Medium oder definierte Puffer freigesetzt werden. Letztere Bedingungen können für die weitere Aufreinigung des in Frage kommenden Produkts von Vorteil sein. Damit ist auf genetischem Weg ein endogener Zellaufschluß möglich, der Vorteile gegenüber konventionellen mechanischen und enzymatischen Methoden bietet.

2. Biologisch abbaubare Polyhydroxyalkanoate

Aus Polyhydroxyalkanoaten (PHA) können mit bestehenden Methoden der Kunststofftechnik thermoplastisch verformbare Kunststoffe produziert werden, die biologisch abbaubar sind. Durch Expression der klonierten Gene phbA,B,C aus Alcaligenes eutrophus kann in E. coli Polyhydroxybuttersäure (PHB) rekombinant hergestellt werden. Durch die Protein-E-vermittelte Lyse können diese Granula aus den Bakterien freigesetzt werden und in wässrigem Milieu aufgereinigt werden. Damit kann auf den Einsatz von organischen Lösungsmitteln verzichtet werden, die bisher noch zur Gewinnung von PHB notwendig sind. Durch Proteinengineering der PHB-Synthase (phbC) konnte eine zusätzliche Erweiterung möglicher Ausgangssubstrate für die Produktion von PHB in E.coli erreicht werden sowie die Polymerbildung beeinflußt werden. Durch gesteigerte Expression der Gene phbA,B, die die notwendigen Vorstufen für die PHB-Synthase bereitstellen, gelang es, eine Ausbeute von ungefähr 95 % PHBTrockengewicht der Zellen zu erreichen.

3. Parakristalline Oberflächenproteine (S-Layer) von Bakterien

In Zusammenarbeit mit Prof. Sleytr, Zentrum für Ultrastrukturforschung, Universität für Bodenkultur, Wien, wurde das S-Layer Gen von Bacillus stearothermophilus kloniert und sequenziert. Die Sequenzaufklärung erlaubt in der Folge die Aufklärung der Struktur-/Funktionsbeziehungen des S-Layer Proteins. Damit sind genetische Modifikationen für ein gezieltes Engineering des S-Layer Proteins möglich. Rekombinante S-Layer Proteine, die antigene Determinanten tragen, sollen auf ihr immunologisches Potential als mögliche Vakzinkandidaten für verschiedenste Krankheitserreger untersucht werden. Andere rekombinante S-Layer Proteine sollen als mögliche Biosensoren entwickelt werden. Zudem erscheint die Konstruktion von modifizierten Ultrafiltern möglich, die sich in der Selektion der Filtrationseigenschaften gegenüber herkömmlichen S-Layer Ultrafiltern unterscheiden.

4. Biotechnologie mit haloalkalophilen Archaebakterien

Bakterien der Gattung Natronobakterium bzw. Natronococcus können in nahezu gesättigter Kochsalzlösung sowie bei stark alkalischem pH wachsen. Diese extremen Milieubedingungen sind für andere Gruppen von Organismen äußerst lebensfeindlich. Somit erscheint eine einfache Massenkultivierung von Natronobakterien auch unter nichtsterilen Fermentationsbedingungen möglich. Eine praktische Anwendung dieser Eigenschaften ergibt sich in der Umsetzung industrieller Abwässer in Biomasse. Da zur Zeit noch kein Vektorsystem für diese Bakterien bekannt ist, wurde ein Natronobakterien-spezifischer Phage isoliert. Mit den aus der DNA-Sequenz des Phagens abgeleiteten Replikations- und Expressionssignalen soll ein geeignetes Transformationssystem für diese Bakterien aufgebaut werden.

5. Bakterienhüllen als Impfstoffe

Ziel dieses Projektes ist es, kostengünstig und ohne großen technischen Aufwand bakterielle und virale Impfstoffe herzustellen. Mithilfe der Protein E vermittelten Lyse von Bakterien lassen sich von pathogenen Gram-negativen Bakterien leere Zellhüllen herstellen, die in allen Oberflächeneigenschaften ihren Ausgangsbakterien gleichen und somit für die Erkennung durch das Immunsystem besonders gut geeignet sind. In Ausweitung dieses Systems werden über spezifische Ankersequenzen rekombinante Virusproteine in den Zellwandkomplex von potentiellen Impfbakterien eingebaut. Wenn die Bakterienhülle ein pathogenes Bakterium darstellt, sind die entsprechenden Konstrukte als Kombinationsvakzine brauchbar, da sich die Immunantwort sowohl gegen die Hülle als auch gegen zusätzliche rekombinante Proteine richtet.

6. Letal wirkende Sicherheitskassetten für bakterielle Produktionsstämme

Für genetisch veränderte Bakterien (GVO), die biotechnologisch zur Produktion von rekombinanten Genprodukten eingesetzt werden, wurden eine Reihe von Sicherheitskassetten entwickelt, die bei unbeabsichtigter Freisetzung der GVO diese abtöten und somit die Weiterverbreitung der GVO bzw. der rekombinanten DNA verhindern. Das Sicherheitskonzept erstreckt sich sowohl auf das Überleben der Produktionsbakterien als auch auf die Nichtweitergabe von rekombinanten Plasmiden. Damit ist ein biologisch wirksames Sicherheitskonzept gegeben, das wesentlich zur Vermeidung möglicher Risken der rekombinanten Gentechnologie beitragen kann.

Sexkontrolle bei Pflanzen

Wenn unreifer Pollen in einer abgestuften Folge reicher Medien kultiviert wird, entwickelt er sich zu normalem, befruchtungsfähigem Pollen. Dem in vitro Pollen fehlen Faktoren, die normalerweise von der Mutterpflanze produziert werden, um den optimalen reproduktiven Erfolg der Pollen zu sichern. Mit den Flavonolen wurde eine neue Pflanzenhormongruppe entdeckt, die die Pollenkeimung und das Pollenschlauchwachstum fördern. Das System ist nun soweit optimiert, daß der Samenansatz so gut wie mit normalen Pollen ist. Es ist unser Ziel, mit diesem in vitro System sterile Pollen zu retten, Selbstinkompatibilität von Pollen zu brechen, und Selektion auf haploidem Niveau mit meiotisch rekombinierten Zellen durchzuführen.

Wenn unreifer Pollen für einige Tage in einem Hungermedium kultiviert und dann in ein reiches Medium transferiert wird, dann entwickelt er sich zu haploiden Embryonen. Uns interessiert die Signaltransduktion des Hungersignales sowie die Umstimmung der Pollenentwicklung von der gametophytischen zur sporophytischen Richtung. Eine Reihe entsprechender Gene wurde schon isoliert.

Es werden auch haploide Pflanzen auch aus Weizenpollen produziert. Nach Diploidisierung sind Doppelhaploide reine Linien, die Eingang in die Züchtung finden. In Zusammenarbeit mit der Pobstdorfer Saatzucht und Prof. Ruckenbauer von der Universität für Bodenkultur wurde an der Züchtung von Fusarium-resistenten Weizen nach der Doppelhaploidenmethode gearbeitet, wobei das spezifische know-how in der Ausbeuteerhöhung an Dihaploiden, der Ploidiebestimmung durch Durchflußzytometrie und der Analyse von Genomveränderungen wie Aneuploidie und Albinismus liegt.

Gentransfer

Es wird versucht, transgene Pflanzen zu produzieren, indem DNA mittels einer DNA-Kanone in Mikrosporen geschossen wird, der Pollen in vitro unter selektiven Bedingungen reift, und dann zur in vivo Bestäubung verwendt wird. Alternativ dazu wird der transformierte unreife Pollen in vitro zu dihaploiden Pflanzen regeneriert.

Pollenallergie

Pollen kann beim Menschen Allergie auslösen. In Zusammenarbeit mit Prof. Schneider und Doz. Valenta vom Wiener Allgemeinen Krankenhaus und Prof. Breitenbach von der Universität Salzburg wird untersucht die Expression und Funktion des BetvI, des Hauptallergens der Birke, das Sequenzhomologie zu Abwehrproteinen verschiedener Pflanzen zeigt, untersucht Sequenzvergleich und Epitopkartierung der BetvI-Genfamilie und von BetvI-Allelen soll Aufschluß für die IgE-Antigenizität beim Menschen geben.

BetvII ist Profilin, ein aktinbindendes Protein, das in Pollen von allen höheren Pflanzen gefunden wird (Panallergen). Von Interesse ist die biologische Funktion des Profilins, besonders in Beziehung zu anderen Faktoren, die die Pollenkeimung beeinflußen.

Zellzykluskontrolle

Proteinkinasekomplexe, bestehend aus dem katalytischen p34cdc2 und einem regulatorischen Cyclin haben eine zentrale regulatorische Rolle im eukaryotischen Zellzyklus. Diese Komplexe sind Teil von Signaltransduktionsketten, die von einer Reihe von Signalen abhängen, wie Ernährungszustand, Hormone, Zellgröße, usw. Es wurden mehrere pflanzliche cdc2-und Cyclingene aus der Luzerne isoliert, sowie auch Proteinkinasegene, die bei der Hefe und bei Tieren in die Signaltransduktion involviert sind und Transkriptionsfaktoren phosphorylieren können (mehrere MAP-Kinase- und Glykogensynthasekinasegene). Das Interesse liegt an der Aufklärung, wie Phytohormone ihre Information über die verschiedenen Kinasen signalieren und wie phosphorylierte Transkriptionsfaktoren und die cdc2-Kinase diese Information in physiologische Antworten, zum Beispiel bei der in vitro Regeneration und der Bildung von stickstoffixierenden Wurzelknöllchen, umsetzen.

TECHNISCHE UNIVERSITÄT WIEN

An der Technischen Universität Wien ist das Institut für Biochemische Technologie und Mikrobiologie der primäre Träger für Forschung und Lehre. Neben ihm bearbeiten das Institut für Verfahrenstechnik und das Institut für Wassergüte und Abfallwirtschaft biotechnologisch relevante Forschungsthemen. Die Forschungsschwer-punkte der Institute sind:

Institut für Biochemische Technologie und Mikrobiologie

Die Forschungsaktivitäten der Abteilung konzentrieren sich, z.T. in Zusammenarbeit mit einem Unternehmen des Anlagenbaues, auf die Optimierung der industriellen Citronensäurefermentation. Zusätzliche Zielsetzung ist dabei die Optimierung der Fermentationsprozesse unter Bedingungen von Produktionsstandorten mit minder entwickelter Infrastruktur.

Folgende Probleme werden bearbeitet:

1. Versuche zur Selektion bzw. Entwicklung von Produktionsstämmen unter Berücksichtigung wechselnder Rohstoffbedingungen. Optimierung der Selektionsverfahren sowie der Testmöglichkeiten.

2. Computerunterstützte Datenerfassung und -verarbeitung bei der Citronensäurefermentation in scale-up-fähigen Versuchseinrichtungen unter Bedingungen des Einsatzes verschiedener Rohstoffe (Melassen verschiedener Herkunft, Saccharose, Stärkehydrolysate).

3. Analysen der in den verschiedenen Verfahrensstufen der Citronensäurefermentation eingesetzten Roh-, Nähr- und Hilfsstoffe mittels HPLC und AAS mit besonderem Augenmerk auf folgende Probleme:

- Erfassung der Belastung mit Schwermetall-Ionen (Eisen, Mangan) im ppm und ppb-Bereich und deren mögliche Reduktion in den verschiedenen Prozessabschnitten.

- Erfassung der Beeinflussung des Prozesses durch Nichtzucker-Bestandteile der verwendeten Roh- und Hilfsstoffe.

4. Optimierung der Prozeßbedingungen in Richtung einer Steigerung der nutzbaren Substratkonzentrationen, der Produktkonzentrationen sowie der Ausbeute und Produktivität unter Bedingungen weniger entwickelter Infrastrukturen.

5. Studien über die Regulationsmechanismen der Citronensäurebildung in Aspergillus niger (in langjähriger Zusammenarbeit mit Prof.C.P.Kubicek)

Biochemische Analyse: Im Bereich Fermentationsanalyse werden verschiedene Untersuchungen zur quantitativen Erfas-sung spezieller Mediumskomponenten in mikrobiellen Fermentationen durchgeführt z.B. Analyse von Kohlenhydraten und Aminosäuren durch HPLC mit elektrochemischer Detektion, Bestimmung von Aromakomponenten in Fermentationsmaischen, etc. Im Bereich Umweltanalyse erfolgen Studien zur Entwicklung eines Bioassays bzw. Biosensors für die Bestimmung des Gehaltes an halogenierten Kohlenwasserstoffen im Wasserproben.

Optimierung der Kulturbedingungen zur Gewinnung mikrobieller Produkte: Für die Bildung verschiedener Produkte (Aromastoffe) insbesonders auch extrazellulärer Enzyme (Proteasen, Chitinasen, Glucanasen, Halidohydrolasen) durch verschiedenste Mikroorganismen (Brevibacterium linens, Arthrobacter sp., Rhodococcus sp.) werden durch Verwendung spezieller Nährmediumskomponenten, durch besondere Kultivierungstechniken und durch Analyse des Züchtungsverlaufes die Bedingungen für eine optimale und kostengünstige Produktbildung festgestellt.

Isolierung von Produkten aus Fermentationsmaischen: Untersuchungen zur einfachen und schnellen Gewinnung angereicherter Präparate (z.B. Enzyme) durch spezielle Anreicherungs- und Reinigungsverfahren (Affinitätstechniken, Sprüh-trocknung) und Überprüfung der Reinheit durch analytische Methoden Elekrophorese, etc.).

Der Forschungsschwerpunkt der Abteilung liegt auf dem Gebiet der biologischen Reinigung von hochtoxischen Industrieabwässern. Vordringlich wird derzeit die Entwicklung eines Verfahrens betrieben, das eine hohe Stabilität und ein breites Abbauspektrum der Xenobiotika-abbauenden Populationen gewährleistet. Dabei hat sich der Einsatz von an PU-Trägermaterial immobilisierten Bakterien als erfolgreich erwiesen. Auf diesem Weg konnten nicht nur eine allgemein höhere Stabilität des biologischen Systems sondern auch eine erweiterte Gifttoleranz und höhere Abbauleistung erzielt werden. Weiters werden die am Xenobiotika-Abbau beteiligten Enzymsysteme und Regulationsmechanismen beforscht, um das Detoxifikationspotential einer bestimmten Mikroorganismenkultur abschätzen zu können. Dabei erzielte Ergebnisse haben es uns ermöglicht, Versuchsansätze gezielt so zu führen, daß jeweils der zur vollständigen Detoxifikation bzw. Mineralisierung führende Abbauweg von den MO bevorzugt beschritten wird.

Übergeordnetes Ziel der Abteilung ist die biotechnologische Nutzung lignocelluloseabbauender Pilze sowie ihres ligninolytischen Enzymsystems. Mit der österreichischen Zellstoffindustrie wurde ein Verfahren zur Vorbehandlung von Holz mit selektiven Weißfäulepilzen - das sogenannte Biopulping - entwickelt, welches zu einer Kapazitätssteigerung und verringertem Chemikalieneinsatz bei der Zellstoffherstellung führt. Die mikrobiologischen Grundlagen dieser Feststofffermentation wie Entkeimung des Substrates, Inokulumsproduktion, Biomasseentwicklung, Selektion von Zusatznährstoffen, Enzymmechanismen der Substratumsetzung, sowie die Fermentationsparameter werden untersucht. Ein weiterer Aspekt der Anwendung von ligninabbauenden Pilzen in Feststoffermentationen ist die Entsorgung teerölbehandelter Hölzer, wie Leitungsmasten und Bahnschwellen. Eine Methode zur qualitativen und quantitativen Bestimmung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe in Holz wurde erarbeitet. Holzabbauende Pilze werden auf Hemmstofftoleranz und Abbaukapazität gescreent und herausragende Stämme selektioniert. Ein Verfahren zur technischen Umsetzung wird im Labormaßstab erarbeitet. Zur Laccaseproduktion wurde mit Ganoderma colossum ein Pilz selektioniert, dessen sekretierte Enzymaktivität um ein Vielfaches höher als die beschriebener Vergleichspilze ist. Die Laccaseproduktion wurde optimiert und das Enzym gereinigt. Die Entwicklung ligninolytischer Enzymsysteme für die Zellstoffbleiche im Rahmen eines EU-Projektes durchgeführt.

Der Forschungsschwerpunkt dieser Abteilung liegt in der Erarbeitung von biochemischen und molekulargenetischen Grundlagen technisch interessanter Stoffwechselleistungen von Pilzen und deren Anwendung bei der Herstellung rekombinanter Stämme, wobei besonders die Bereiche Enzymbildung (Klonierung und Charakterisierung der Gene für Transkriptionsfaktoren, Proteine der Signaltransduktion sowie Komponenten des Sekretionswegs) sowie mikrobielle Interaktionen (Erkennungssignale beim Mykoparasitismus in T. harzianum; Ecto-Mykorrhiza-spezifische Gene in Boletus edulis) behandelt werden. Darüber hinaus werden molekularbiologische Methoden (Auswahl und Klonierung geeigneter Gene) zur Taxonomie industriell bedeutender Pilzspezies (Trichoderma), sowie zur Untersuchung der Populationsbiologie von Mykorrhizen des Kalkalpenraumes angewandt.

Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofftechnik und Umwelttechnik

English Version

Aceton-Butanol-Ethanol Fermentation

Die Aceton-Butanol-Ethanol (ABE) Fer-mentation wird seit 1984 eingehend unter-sucht. Die Optimierung der Fermentation und der integrierten pervaporativen Produktabtrennung brachte eine wesentliche Erhöhung der volumetrischen Pro-duktivität, als auch des Zuckerumsatzes und der Ausbeute. Dadurch konnte auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wesent-lich verbessert werden. Ziel der Forschung ist es, die möglichen Einsatzbereiche der ABE-Fermentation zu untersuchen.

Biomasse-Anwendungen und Wirtschaftlichkeit

Es werden das Aufkommen und mögliche Anwendungen für Biomasse erhoben, sowie die Wirtschaftlichkeit einzelner Verfahren untersucht.

Im Rahmen der genannten Arbeitsgruppe werden seit Mitte 1991 die wissen-schaftlichen und angewandten Forschungsprojekte auf den Gebieten der Produktabtrennung bei Fermentationen und der biologischen Abluftreinigung mittels Biofilter und Tropfkörperbioreaktor bearbeitet.

Produktabtrennung bei Alkoholfermentationen

Für die Fermentationsprodukte Ethanol, Aceton und Butanol wurden verschiedenste Verfahren für die kontinuierliche on-line Abtrennung untersucht. So zum Beispiel die Entspannungsverdampfung, die Adsorp-tion, das Strippen mit Inertgas, die flüssig-flüssig Extraktion und als Membrantrenn-verfahren die Pervaporation. Wie schon bei der ABE-Fermentation erwähnt, konnte die Pervaporation erfolgreich als on-line Produktabtrenneinheit bei kontinuierlichen Fermentationen eingesetzt werden.

Einsatz von Biofiltern bei lösungsmittel-emittierenden Betrieben

In Versuchsbiofilteranlagen konnten bis jetzt bei folgenden Betriebssparten positive Ergebnisse erhalten werden: Lederbeschichtung, Holzlackieranlagen, Folienbeschichtung, Möbelwerke, Latexanlagen, Spritzlackieranlagen und Drahtlackieranlagen.

Im Zuge der Versuche zeigte sich, daß bei den untersuchten Betriebssparten die Emission an Kohlenwasserstoffen durch Biofilter wirksam eingeschränkt werden könnte. Bei Optimierung der Biofilteranlagen kann Filtervolumen eingespart werden, sodaß diese Technologie auch kostenmäßig vertretbar erscheint.

Einsatz von Tropfkörperbioreaktoren zur Abluftreinigung

Im Gegensatz zum organischen Füllmaterial wird beim Tropfkörperbioreaktor ein inertes Füllmaterial (z.B. Kunststoff) verwendet, welches mit gezielt angezüchteten Mikroorganismen beimpft wird. Die ständige Berieselung mit Nährlösung gewährleistet eine ständige Befeuchtung und Versorgung des Biofilms mit erforderlichen Nährsalzen. Bei den Versuchen wurden unterschiedliche Füllkörper in verschiedenen Anlagengrößen untersucht. Untersucht wurden leicht lösliche und schwer lösliche Schadstoffe.

Institut für Wassergüte und Abfallwirtschaft

Forschungsvorhaben:

1. Erarbeitung verschiedener Verfahrens-konzepte zur Reinigung von Abwässern der Altpapierverarbeitenden Industrie.

2. Untersuchungen zur anaerob/aeroben Reinigung des Abwassers einer Zitronensäurefabrik

3. Nitrifikation in ein- und mehrstufigen Belebungsanlagen

4. Auswirkungen der Regenwasserbe-handlung bei zweistufigen Belebungs-anlagen (Serien- und Parallelbetrieb)

5. Untersuchungen von Blähschlamm und dessen Bekämpfung an verschiedenen Betriebsanlagen

6. Biologische Phosphorentfernung mit dem Belebungsverfahren

7. Probleme der Neutralisation bei der anaeroben Abwasserreinigung

8. Einsatz von Bakterien- und Enzym-präparaten zur Bekämpfung von Schwimmschlamm- und Schaumproblemen beim Belebungsverfahren

9. Erweiterung bestehender Kläranlagen zur Einhaltung zukünftiger Anforderungen an die Ablaufqualität

10. Untersuchungen zur Sauerstoffzufuhr im Reinwasser und unter Betriebsbedingungen

11. Untersuchungen zum Rotteverlauf auf zwangsbelüfteten Rotteplatten

12. Untersuchungen zur Mietenkompos-tierung mit Druckbelüftung

13. Behälterkompostierung von Küchenab-fällen aus geschlossenen Siedlungsge-bieten

14. Betriebliche Abfallwirtschaftskonzepte (Design for Disposal)

15. Methoden zur Umweltverträglichkeits-prüfung, Ökobilanzen

16. Regionale Stoffhaushaltsstudien

17. Stoffbilanzen von Entsorgungskon-zepten

18. Untersuchung von Kompostierung von Grünabfällen aus der Gewässerpflege des Marchfeldkanals

19. Untersuchungen des Deponieverhaltens von Rückständen aus der Hochtemperatur-Sonderabfallverbrennung

VETERINÄR- MEDIZINISCHE UNIVERSITÄT WIEN

Institut für Tierzucht und Genetik

Arbeitsgebiete:

1. Steigerung der Fortpflanzungsleistung der Haustiere mittels Reproduktionsbiotechnologischer Methoden

2. Genotypisierung präimplantativer Embryonen

3. Genotypisierung von Erbfehlern

4. Untersuchung von Genwirkung in transgenen Tieren

5. Expression und Sekretion von Fremdproteinen in der Milchdrüse (Pharmazeutical Farming)

Derzeitige Forschungsschwerpunkte:

Steigerung der Qualitätskalbfleischerzeugung durch Transfer von in vitro produzierten Embryonen auf besamte Kühe.

Bestimmung des Geschlechts und der Milchproteingenotypen an in vivo und in vitro produzierten Rinderembryonen.

Studium der Rolle des epidermalen Wachstumsfaktors und dessen Rezeptors in der Ausbildung biologischer Muster während der Embryonalentwicklung durch Untersuchungen bei transgenen Mäusen.

Expression und Sekretion von humanem ß-Interferon in der Milchdrüse transgener Tiere.

KARL FRANZENS- UNIVERSITÄT GRAZ

Institut für Biochemie

Cellulose- und Hemicelluloseverwertende Mikroorganismen sind in der Natur weit verbreitet. Ihre Cellulasen und Hemicellulasen könnten eingesetzt werden, umfermentierbare Zucker aus pflanzlicher Biomasse zu produzieren oder um die Lösbarkeit von Pülpe zu verbessern, indem der Hemicelluloseanteil enzymatisch entfernt wird. Bisher wurde die meiste Arbeit den Enzymen von Trichoderma reesei-Stämmen gewidmet. Die Cellulase-Produktion wurde im Pilot-Maßtab (20 m3) von der Firma VOEST-ALPINE-Industrie-Anlagenbau in Linz durchgeführt. Dort wurde auch eine Pilotanlage (VABIO) zur Gewinnung von fermentierbaren Zuckern aus Weizenstroh mit einem Durchsatz von 1 Tonne Weizenstroh pro Tag errichtet. Die Grundlagenforschung an Trichoderma reesei-Cellulasen umfaßt die Reinigung verschiedener Enzyme, deren biochemische und physikochemische Charakterisierung sowie die Aufklärung von Wirkungsmechanismus und synergistischem Zusammenwirken. Ein vielversprechendes Forschungsgebiet ist der Einsatz von Hemicellulasen für die enzymatische Zellstoffbleiche. Mit einer Xylanase von Thermomyces lanuginosus konnte in Pilotversuchen eine Chloreinsparung von bis zu 50% erreicht werden. Die Grundlagenforschung auf diesem Gebiet umfaßt die Isolierung und Charakterisierung von Bleichenzymen und die Aufklärung ihres Beitrags zur enzymatischen Bleiche, wobei besonders nach thermo- und alkalistabilen Enzymen gesucht wird.

TECHNISCHE UNIVERSITÄT GRAZ

An der Technischen Universität Graz ist das Institut für Biotechnologie Hauptträger der Lehre und Forschung; es bestehen nachstehende Arbeitsgebiete:

Institut für Biotechnologie

Alle biotechnologisch relevanten Problemstellungen werden in langähriger Kooperation mit der Arbeitsgruppe Enzymtechnologie der TU Graz bearbeitet. Es wurde mit April 1993 das Spezialforschungsgebiet Biokatalyse eingerichtet.

Die Biochemische Reaktionstechnik befaßt sich mit der Wechselwirkung biologischer und physikalischer Faktoren beim Ablauf biochemischer und mikrobiologischer Stoffwandlungsprozesse. Eingeschlossen sind dabei auch Prozesse der Aufarbeitung von Bioprodukten unter Erhaltung, Stabilisierung oder Verbesserung der erwünschten biologischen Qualitätsmerkmale. Speziell werden folgende Projekte bearbeitet:

1. Mehrphasen- Biokatalyse

Die Untersuchungen beziehen sich auf die Biokatalyse in neuartigen mikrostrukturierten Medien mit kontinuierlicher organischer Lösungsmittelphase. Diese mikrostrukturierten Medien bestehen aus lyotropen Flüssigkristallen, Tensidassoziat- Phasen oder Polymeren mit hohem Organisationsgrad. Diese biokatalytischen Systeme erlauben den Einsatz hydrophober Substrate sowie eine extraktive Reaktionsführung. Als Stoffsysteme werden chirale Aldehyde und silicoorganische Verbindungen eingesetzt.

Ein weiterer Schwerpunkt dieses Arbeitsgebietes ist die Entwicklung von funktionalisierten Organopolysiloxanen als taylor made Enzymträger mit hoher Prozeßstabilität. Es werden hier u.a. die Phänomene von Reaktion und Diffusion an den heterogenen Biokatalysatoren mit ausgeprägt anisotropen Transporteigenschaften und bei Einsatz hochkonzentrierter Substratlösungen untersucht.

Zur Charakterisierung solcher stabiler Biokatalysatoren werden instationäre Parameter- Shift- Techniken für die rasche Ermittlung der Desaktivierungskinetik entwickelt.

2. Fermentationstechnik

In diesem Arbeitsschwerpunkt werden Methoden zur "physiologischen Prozeßführung" von Fermentationsprozessen mit optimalen individuellen feeding- Strategien für alle relevanten Substrate und Zusatzkomponenten entwickelt. Anwendungsgebiete sind die Aminosäuren und spezielle Chiralica (z.B. DHA).

3. Qualitätserhaltende Aufarbeitung von Bioprodukten

Zur raschen, produktschonenden und preiswerten Aufarbeitung und Reinigung von Bioprodukten (Aminosäuren, Peptide, Enzyme, MAK, ) wird eine computergesteuerte differentielle fraktionierte Gegenstromextraktion (u.a. mit chiralen Lösungsmitteln) entwickelt.

Als eine sehr vielversprechende Methode zur Reinigung und schonenden Aufkonzentrierung von z.B. MAK, Proteinen, Viren und Impfstoffen wir die Polymergelextraktion mit thermisch metastabilen Copolymergelen bearbeitet.

Gemeinsam mit der Degussa AG ist ein Verfahren zur selektiven Sorption hydrophober Produkte oder von Tensiden aus Fermentationsmedien in Entwicklung.

4. Umweltbiotechnologie

Die Forschungen zur Umweltbiotechnologie umfassen die Untersuchung der Kinetik von biologischen und physikalischen Teilprozessen in Biofiltern und Biowäschern sowie die Erarbeitung von Auslegungunterlagen für Anlagen zur biologischen Abluftreinigung.

Weiterhin wird die komplexe Kinetik der erhöhten biologischen Phosphatelimination untersucht. Mit einem Industrieunternehmen gemeinsam werden neue tribomechanische Verfahren der Klärschlammverwertung untersucht.

5. Prozeßanalytik

Zur Korrektur naturgemäß instabiler Chemo- oder Biosensoren sowie von Probennahmesystemen werden dynamische in line - Kalibrierungstechniken (Sensor- Actuator- Systeme) bearbeitet.

Das zentrale Thema der Forschungsarbeiten liegt in der Applikation der Gentechnik zur Konstruktion von hochproduktiven Mikroorganismenstämmen für den Einsatz in industriellen Bioprozessen. Neben Projekten, die vorwiegend auf Grundlagenforschung im Hinblick auf die Entwicklung von Transformations-, Vektor- und Expressionssystemen bei industriell genutzten Mikroorganismen und auf gentechnische Strategien zur Produktion und Modifikation von Enzymen orientiert sind, wird in Kooperation mit Industriefirmen auch an anwendungsbezogenen Entwicklungen gearbeitet.

Folgende Schwerpunkte werden derzeit bearbeitet:

Entwicklung von universellen Klonier-vektoren für gramnegative Bakterien auf der Basis des Plasmids RP4.

Molekulare Mechanismen der gene-tischen Stabilität von bakteriellen Plasmiden (Partitioning-System des Plasmids RP4).

Gentechnische Strategien zur Nutzung von Polyfruktanen (Inulin) als Rohstoff

Gentechnische Produktion und Modi-fikation von technisch interessanten Enzymen (Esterasen): Schwerpunkt-projekt im Rahmen des Spezialfor-schungsbereichs "Biokatalyse".

Molekulare Mechanismen der Genexpression bei filamentösen Pilzen (Penicillium chrysogenum).

Entwicklung von Transformations- und Expressionssystemen bei filamentösen Pilzen (Penicillium chrysogenum).

Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der biotechnologischen Produktion und Aufar-beitung von technisch relevanten Enzymen, wobei auf mikrobiologische, strukturelle und anwendungstechnische Aspekte beson-deres Augenmerk gelegt wird. Neben der Optimierung der Enzymproduktion (dzt. Hemicellulasen, Cellulasen, Lipasen, Pek-tinasen) unter Zuhilfenahme statistischer Methoden der Versuchsplanung, wurde ein intensiveres Studium von Enzymen, welche unter extremen Milieubedingungen (wie extreme pH-Werte, Temperaturen, Drücke, Salzkonzentrationen, Substratkonzentrationen, etc.) produziert werden, begonnen. Weiters werden die Einflüsse von Fermentationsbedingungen, verschiedener Belüftungs-/Rühr/-bedingungen und anderer prozeßtechnischer Parameter auf die ausgeschiedenen Enzymmuster untersucht. Prozeßkontrollstrategien für fedbatch und kontinuierliche Fermentationen werden mit Hilfe von Simulationsprogrammen getestet und mit tatsächlichen Daten aus den Enzymprodukten verglichen. Untersuchungen zur Konversion erneuerbarer Rohstoffe, insbesondere Vorbehandlung, Kinetik und Adsorption bei der enzymatischen Hydrolyse von lignozellulosehältigen Rohstoffen sowie der Einsatz von Enzymen in der Papier- und Zellstofftechnik werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Biochemie der Karl-Franzens-Universität Graz durchgeführt. Weiters wird die Verwertung von Hydrolysaten zur Produktion von Exobiopolymeren, Ethanol und von organischen Säuren untersucht. Es bestehen Kooperationen mit Industriefirmen auf dem Gebiete der großtechnischen Produktion von Enzymen, des "Scale-up 's" eines integrierten, biotechnologischen Prozesses zur Verwertung von Lignozellulose und des Einsatzes von Enzymen in der Papier- und Zellstofftechnik (z.B. zur Reduktion des Chemikalieneinsatzes beim Bleichvorgang).

Durch die Beteiligung an diversen Teilprojekten im Rahmen des Spezialforschungsbereiches "Biokatalyse" ist eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgebieten gegeben.

Ökoprozeßtechnik ist die Integration zwischen der Ingenieursdisziplin Bioprozeßtechnik und einer Ökologie, die sich mit den gesamtheitlichen Wechselwirkungen innerhalb der Ökosphäre befaßt, um ökologisch und sozial sowie ökonomisch nachhaltige Technologien zu entwerfen. Folgende konkrete Projekte sind in dieser Richtung in Bearbeitung (1994-1997):

*Prozeßentwurf und mathematische Simulation der Glutaminsäureproduktion (R.Bona)

*Prozeßentwurf mittels eines integrierten Prozeßmodelles von Kinetik und Mischverhalten des Bioreaktors nach jeweils makroskopischer Musteranalyse ("formal macroapproach")

*Prozeßkinetische Analyse der Biotoxinproduktion (Bac. Thuring.) (F. Nagel, A.Krämer)

*Herstellen gentechnisch modifizierter Stämme (E.coli) in Pilot Bioreaktoren (R.Bona) in Zusammenarbeit mit AG Genetik (Prof. H. Schwab) und der Fa. Biomay

* Berechnen des Sustainable Process Index (SPI) im Falle des N-Kreislaufes mit Herstellung von N-Dünger und Entsorgung des Nitrates im Trinkwasser, wobei jeweils chemische mit biotechnischen Düngern verglichen werden (Y. Wang, A.Redl) u.a.m. (Pestizide, Polymere)

*Berechnen des "Wisdom based Index of Sustainability" (WIS) für die Region Berlin-Brandenburg und die siedlungsmäßig genutzte Naturschutz-Region Peten (Guatemala) als Richtlinie für eine nachhaltige Raumentwicklung.

In der Lehre werden Veranstaltungen für Techn. Chemie auch als Verfahrenstechnik gegeben: Ökotechnik, Bioprozeßkinetik, Ökoprozeßtechnik, Bioprozeßtechnik, Technik und Ökologie, LÜ Bioprozeßtechnikum (40-300 Liter) und Angew. Enzymologie an der Univ. Graz. Kooperationen mit Inst. f. Verfahrenstechnik der TU-Graz, der Gruppe SUSTAIN in Österreich, Arbeitskreis für nachhaltige Raumentwicklung in Deutschland, TU Zagreb und TU Bratislava, working group Sustainable Biotechnology der EFB, United Nations Univ. in Tokyo, Intern. Org. Biotech.&Bioengng, Inter. Ecol Engng. Soc. und ECOTEC NETWORK worldwide.

Das Hauptarbeitsgebiet liegt im Bereiche der Prozeßentwicklung für die kontinuierliche Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten, welche als biologisch abbaubare Polyester von hohem Interesse sind. Die Herstellung dieser Biopolymere erfolgt unter Nutzung der Synthesefähigkeiten verschiedener prokaryontischer Mikroorganismen (diverse Stämme von Alcaligenes, diverse Pseudomonaden, spezielle Eigenisolate). Neben Poly-D(-)-3-hydroxybuttersäure (PHB) wird vor allem die Synthese verschiedener Copolymere untersucht (Poly-3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat, Poly-3-hydroxybutyrat-co-4-hydroxybutyrat u.a.), wobei insbesondere der Einfluß verschiedener Cosubstrate auf die Kinetik von Wachstum und Produktionsbildung im Vordergrund steht. Wesentliche Teilbereiche der Arbeiten werden in engem Kontakt zur Industrie beziehungsweise in Kooperation mit anderen Forschungsgruppen in Europa und in Kanada durchgeführt.

Derzeit werden folgende Schwerpunkte bearbeitet:

1. Kontinuierliche Anreicherung, Isolierung und Charakterisierung von besonders geeigneten Produzentenstämmen aus der Natur.

2. Kinetische Untersuchungen von Wachstum und Produktionsleistung unter diskontinuierlichen und kontinuierlichen Reaktionsbedingungen.

3. Physikalische und chemische Charakterisierung der erhaltenen Biopolymere.

Institut für Thermische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik

Das Institut für Thermische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik arbeitet am Down-stream-processing von Fermentationsbrühen. Die Erfahrungen mit Flüssig-Membran-Permeation und Extraktion werden auf diese komplexen Trennungsprobleme angewendet. Als Modellsubstanzen werden Mono-, Di-, Tricarbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren und Aminosäuren verwendet. Neben konventioneller Extraktion und Flüssig-Membran-Permeation wird die Extraktion mit überkritischem Kohlendioxid eingesetzt. Die Immobilisierung von Enzymen in der inneren Phase von w/o-Emulsionen bietet Möglichkeiten für neue Membranprozesse und einen Spezial-Enzymreaktor. Während bei der konventionellen Extraktion die Bildung einer zweiten organischen Phase vermieden wird, arbeitet das Institut für Thermische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik an einem speziellen Prozeß zur Bildung einer dritten Phase, der die selektive Anreicherung von verschiedenen Produkten in zwei organischen Phasen erlaubt. Die enge Zusammenarbeit mit der Industrie erlaubt das effektive scale-up. Darüberhinaus beschäftigt sich das Institut mit biokataly-tischen Umsetzungen in überkritischem Kohlendioxid. Inhaltliche Schwerpunkte dieser Forschungstätigkeit bilden systematische Untersuchungen der Einflußfaktoren auf die Reaktion und den Prozeß, sowie die Entwicklung eines kontinuierlichen Produktionsverfahrens mit integrierter Produktaufarbeitung. Als Modellsystem dient die lipasekatalysierte Racemattrennung von D,L-Menthol. Dem Institut angegliedert ist das Christian Doppler Labor für Modelling Reaction Systems in der Verfahrenstechnik (Leiter:Doz. H. J. Bart). Es werden hier selektive Reaktionen bei Trennverfahren untersucht, wobei mit diesem simultanen Auftreten von "Unit Processes" in "Unit Operations" ein Synergismus hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Einsatzpotential von Prozeßanwendungen erwartet wird.

Institut für Abfalltechnologie und Mikrobiologie

Die Forschungsschwerpunkte umfassen die Abbauleistung spezifisch angereicherter aerober und anaerober Mischpopulationen zur Entwicklung umweltbiotechnologischer Verfahren zur industriellen Abwasserbehandlung, zur Boden- und Ablufteinigung. Unter kontinuierlicher Belastung wird die Prozeßstabilität in Relation zur Abbauleistung durch substanzspezifische Analysenmethoden kontrolliert. Die Übertragung biotechnologischer Verfahrensentwicklungen erfolgt über Drittmittel durch Firmenkooperationen und durch die Forschungsförderung.

1. Abluftreinigung für Straßentunnel durch carboxidotrophe Mischpopulationen

Die durchschnittlichen Schadstoffkonzentrationen in der Abluft von Straßentunneln betragen bei einem Volumendurchsatz von 100 m3 pro Sekunde und Tunnelkilometer für CO 10 ppm, für NO 5 ppm und für NO2 0,5 ppm. Gegenwärtig gibt es keine geeigneten technischen oder biotechnologischen Verfahren zur Reinigung der anorganischen Schadstoffe aus der Tunnelabluft. Aus diesem Grunde konzentrierte sich die verfahrenstechnische Umsetzung der mikrobiologischen Grundlagenuntersuchungen auf die Substratverwertung der Abluftinhaltsstoffe CO und NOx und die spezifische Anreicherung carboxidotropher Mischpopulationen. Carboxidotrophe Bakterien katalysieren die Oxidation von CO zu CO2 und verwerten einen Teil des gebildeten Kohlendioxids zur Biomassebildung.

Die spezifische Anreicherung der autotrophen Mischpopulationen erfolgte in einem Mineralsalzmedium unter kontinuierlicher CO-NOx-Begasung in Laborreaktoren mit inerten Aufwuchsträgern. Die Laborreaktoren bestehen aus Glastropfkörpern, die zur Immobilisierung der Mikroorganismenpopulationen mit 15 L Blähton (Leca() oder Glasschaum als inertem Trägermaterial gefüllt wurden. Zur Simulation der Abluftzusammensetzung wurden die Gaskomponenten aus Stahlflaschen mit Luft auf die erforderlichen Konzentrationen verdünnt. Mischpopulationen mit simultaner CO-NOx-Verwertung bildeten die Grundlage zur Prozeßoptimierung und zur Auslegung der Pilotanlage unter realer Abluftbegasung. Unter kontinuierlicher Abluftbegasung wurde bei durchschnittlichen Aufenthaltszeiten von 10 s für CO eine Abbauleistung von 99%, für NO von 18% und für NO2 von 50% erreicht. Die Pilotanlage im Katschbergtunnel in Kärnten besteht aus 55 L Blähton als Aufwuchsträger mit einer Anströmfläche von 0,5 m2 und der Schichtdicke von 10 cm. Bei Begasungsraten von durchschnittlich 20 m3/h beträgt die spezifische CO-Abbaurate 10 g/m3.h und erreicht unter diesen Bedingungen bis zu einer Außenlufttemperatur von 10° C eine Abbauleistung von ( 90%. Die Abbauleistung der Nichtmethankohlenwasserstoffe (CxHy) betrug bei einer Eingangskonzentration von 1,2 ppm 40 - 45 %. NO2 wurde bei Eingangskonzentrationen von 0,8 ppm konstant ( 80% abgebaut. Die kontinuierlich weitergeführten Messungen ergaben nach einjähriger Standzeit der Pilotanlage identische Abbauleistungen, so daß fundierte Basisdaten zur Auslegung einer Betriebsanlage vorliegen. Die Untersuchungen wurden gefördert vom "Forschungsförderungsfonds für die gewerbliche Wirtschaft", Wien, und erfolgten in Kooperation mit dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, der Ingenieurgemeinschaft Geoconsult und der Österreichische Schnellstraßen und Autobahn AG, Salzburg.

2. Mikrobielle Abwasserreinigung in der Sprengstoffindustrie

Im Rahmen dieses Projektes dildeten die Grundlagenuntersuchungen zur Denitrifikation des Produktionsabwassers aus der Sprengstoffindustrie die Basis für die wassererchtliche Genehmigung einer Betriebsanlage. Die Untersuchungen in Laborreaktoren und in einer Piltotanlage umfaßten die kinetischer Experimente zur Prozeßstabilität der Mischpopulationen zum Nitrat-Abbau und zur Nitrit-, und DOC-Inhibition infolge produktionsbedingter Belastungsschwankungen. Projektpartner sind die Firma Dynamit-Nobel-Wien, Werk St. Lambrecht und das Institut für Mathematik, Universität Graz, gefördert vom "Forschungsförderungsfonds für die gewerbliche Wirtschaft", Wien.

3. Reinigung mireralölbelasteter Böden als off-site Verfahren

Der Einsatz spezifisch angereicherter Mischpopulationen zum Abbau von n-Alkanen aus dieselbelasteten Böden mit integrierter Bodenseparierung als off-site oder on-site Verfahren ist als Bindeglied zwischen der Bodenwäsche und der in-situ Sanierung konzipiert. Das Ziel der Untersuchungen zur mikrobiologischen Reinigung mineralölbelasteter Böden bestand in der Übertragung der Laborergebnisse zur biotechnologischen Verfahrensauslegung für die Praxis. Die komplexe Bodenmatrix erfordert zur Beurteilung der mikrobiologischen Sanierbarkeit eindeutige analytische Kontrollparameter, die bei einer Standardisierung der Voruntersuchungen nur dann zu einem abgesicherten Verfahrensablauf führen, wenn spezifische Mischpopulationen als erste Entscheidungsbasis angereichert werden können. Durch die Adsorption der Mineralöl - Kohlenwasserstoffe an die Bodenmatrix, die variierenden Bodenkennwerte und durch die unterschiedliche Konzentrationsverteilung war eine Bodenseparierung zur Unterstützung der Bioverfügbarkeit als Basis für einen kontrollierten Abbau unerläßlich. Der Schwerpunkt der Untersuchungen konzentrierte sich auf die Anreicherung von Mischpopulationen zum Abbau der Kohlenwasserstoffe mit einer Kettenlänge von C5 - C22, adsorbiert an die Bodenfraktionen, die während der Verfahrensentwicklung mit Heizöl oder Diesel belastet wurden. Die belastungsabhängige Optimierung der mikrobiologischen Stoffwechselleistungen wurde ausschließlich unter aeroben Versuchsbedingungen erreicht, so daß die verfahrenstechnische Auslegung diesen Anforderungen untergeordnet werden mußte. Zur Mengenbewältigung kontaminierter Böden war eine naßmechanische Aufarbeitungsmethode sowohl für die Trennung der Bodenfraktionen als auch für die Reaktorauslegung zum mikrobiologischen Abbau der Diesel-Kohlenwasserstoffe unerläßlich. Die Biotechnologie der Bodensanierung als off-site oder on-site Behandlung in einem Wirbelbettreaktor von 5 m3 mit einer Partikelgröße ( 500 µm stellt mit der integrierten Naßklassierung zur Bodenseparierung und zur Einstellung eines Feststoffgehalts von 30% (w/v) eine Verfahrenskombination dar, mit der nach der Rückvermischung aller gereinigten Fraktionen eine Wiederverwertung gegeben ist. Für den Technikumsbetrieb wurde 1994 von dem Amt der Steiermärkischen Landesregierung gemäß § 29 AWG die Genehmigung für eine zweijährige Versuchsphase erteilt, um ein erweitertes Spektrum belasteter Böden unterschiedlicher Substanzklassen und deren mikrobiologischen Abbau zu untersuchen. Die Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit der ÖSTU.Umwelttechnik, Fohnsdorf.

Institut für organische Chemie und Christian Doppler Laboratorium für chirale Verbindungen

1. Anwendungen von mikrobiellen und tierischen Hydrolasen

Die Forschungsinteressen beinhalten enzymkatalysierte Trennungen von racemischen Mischungen von Aminoalkoholen und deren Precursern sowie von Hydroxyaminosäuren zusammen mit geeigneten Synthons. Zusätzlich wird ein tieferes Verständnis in die Spezifitäten und die dadurch bedingten Anforderungen an das molekulare Aussehen geeigneter Substrate, besonders für Lipasen von Candida cylindracea, Pseudomonas fluorescens und Geotrichum candidum, angestrebt. Arbeiten in dieser Richtung umfassen "molecular modelling" und systematische Variationen von möglichen Substraten. Um die Anwendbarkeit dieser Enzyme zu erweitern, werden Untersuchungen über Racemspaltungen von bizyklischen sekundären und tertiären Alkoholen sowie die Entwicklung neuer acylierender Agentien in wasserfreien organischen Lösungsmitteln durchgeführt.

2. Selektive mikrobielle Umsetzungen

Auf der Suche nach neuen Alternativen für synthetisch wichtige Transformationen, bei denen rein chemische Methoden Chemo-, Regio- und Enantioselektivität vermissen lassen, werden Mikroorganismen, die Monooxygenaseaktivitäten besitzen, auf ihre Anwendbarkeit für enatioselektive Baeyer-Villiger Reaktionen und Biohydroxylierungen untersucht. Analog werden Nitrit-umsetzende Stämme sowie isolierte Nitrilaseenzymkomplexe auf ihre Eignung für milde und selektive Transformationen organischer Nitrite getestet.

3. Hydroxynitrillyasen für industrielle enantioselektive Synthesen

Zur Darstellung von enantiomerenreinen Cyanhydriden, wichtigen Zwischenprodukten für Pharmazeutika, können durch Hydroxynitrillyasen katalysierte Reaktionen eingesetzt werden. Das Institut beschäftigt sich mit der Hydroxynitrillyase aus Hevea brasiliensis, die kloniert und in geeigneten Systemen überexprimiert wurde. In Bearbeitung sind Fragen der Gentechnik (Verbesserung der Überexpression), ortsspezifische Mutagenese), der Enzymkristallstruktur (Zusammenrbeit mit Prof. Christoph Kratky, Institut für Physikalische Chemie der Karl-Franzens-Universität Graz), zum Reaktionsmechanismus und zu Anwendungsbreite und Substratsakzeptanz.

4. Anwendung von Glykosidasen und Isomerasen

Während für die Präparation von Di- und Oligosacchariden das revers-hydrolytisch sowie transglykosilierende Potentioal der Glykosidasen erforscht wird, stehen für die niedermolekularen basischen Glykosidasehemmer Isomerasen in Untersuchung.

UNIVERSITÄT INNSBRUCK

Institut für Mikrobiologie

Entfernung von Schwermetallen aus Abwässern

Die Belastung von Abwässern mit Schwermetallen stellt ein häufiges Problem dar. Neuere Untersuchungen zeigen, daß für die Metallwiedergewinnung in Zukunft neben konventionellen Techniken auch biotechnische Verfahren in Frage kommen. Viele Mikroorganismen aus den verschiedensten Gruppen der Bakterien, Pilze und Algen sind in der Lage, Schwermetalle aus wässrigen Lösungen aufzunehmen. Dabei wird zwischen der aktiven Metallaufnahme durch die Zellen (Bioakkumulation) und der passiven Bindung an Zellen oder an Ausscheidungsprodukte (Biosorption) unterschieden. Zur Biosorption führende Mechanismen sind die Bindung an ladungstragende reaktive Gruppen, die Mikropräzipitation und die Kristallisation. Metallbeladungen bis zum Mehrfachen des Biomassetrockengewichts wurden dabei beobachtet. Für den technischen Einsatz ist eine Konfektionierung der Biomasse nötig, die eine einfache und sichere Trennbarkeit von Biosorbens und Abwasserstrom garantiert. Als Möglichkeiten der Biotechnik sind der Einsatz natürlicher Zellaggregate (Algen, Pilzpellets) oder immobilisierter Zellen (Gele, Aufwuchs auf Trägern) zu nennen. Mikroorganismen bieten zur Entfernung von Metallen aus Lösungen je nach Anwendungsfall selektive (Rück)Gewinnung wertvoller Metalle spezielle Anwendungen, hohe Affinität zu den Metallen auch bei niedrigen Konzentrationen eine umweltschonende Produktion der Biomasse unter Verwertung nährstoffreicher Abwässer eine Rückgewinnung der Metalle durch Desorption oder durch Zugabe zu pyrometallurgischen Prozessen Die realen Chancen dieser Biotechnologie liegen vor allem im niedrigeren Konzentrationsbereich (<500mg/l) und betreffen daher die Endreinigung industrieller Abwässer im Anschluß an konventionelle Methoden (polishing). Entfernung von Metallen für die keine oder nur unzureichende konventionelle Verfahren existieren. Aktuelle Arbeiten betreffen grundlegende Untersuchungen zur Schwermetallbindung, sowie anwendungstechnische Arbeiten zur Entfernung geringer Metallkonzentrationen aus Abwässern.

Elimination von Metallen aus Klärschlamm und Böden

Zur Dekontaminierung organischer Materialien können mikrobielle Laugungsprozesse als eine Alternative zur chemischen Metallsolubilisierung angesehen werden. Das Bioleaching von Metallen aus kontaminierten organischen Substraten, insbesondere Klärschlämmen und Böden, wurde bisher erst von wenigen Arbeitsgruppen untersucht. Prinzipiell wäre der Einsatz autotropher Thiobacilli angezeigt, da bei der Klär-schlammfaulung unter anaeroben Bedingungen die Bildung von sulfidischen Metallverbindungen gefördert wird. Thiobacilli sind neben der direkten Sulfidoxidation vor allem durch den indirekten Laugungsmechanismus über die Transformation zweiwertigen Eisens zu dreiwertigem besonders gut für die Oxidation der wasserunlöslichen Sulfide zu wasserlöslichen Sulfaten geeignet. Wegen der inhibierenden Wirkung verschiedener, leicht verfügbarer organischer Verbindungen wurde eine Anwendung der zu favorisierenden, autotrophen Thiobacilli (T.ferrooxidans und T.thiooxidans) für lange Zeit als unmöglich erachtet. Eigene Arbeiten, die im Rahmen eines Projektes vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung durchgeführt wurden, zeigten, daß die Isolierung, Adaptierung und Optimierung laugungsaktiver, organotoleranter Thiobacilli möglich ist. Neben den klassischen chemolithoautotrophen T.ferrooxidans und T.thiooxidans konnten weitere obligat bzw. fakultativ autotrophe Thiobacilli als laugungsaktive Organismen identifiziert werden (T.thioparus, T.novellus, T.neapolitanus). Experimente in Bioreaktoren zeigten, daß eine ausreichende Metallsolubilisierung erzielt werden kann. Der Einsatz heterotropher Mikroorganismen zur Eliminierung toxischer Schwermetalle aus Klärschlämmen und Böden wurde ebenfalls untersucht. Deren Einsatz ist an die Verfügbarkeit organischer Kohlenstoffquellen gebunden und damit in diesen Materialien häufig limitiert.

Recycling von Metallen aus Sekundärrohstoffen und Zwischenprodukten metallverarbeitender Industrien

Schlacken, Schlämme und Stäube enthalten häufig beträchtliche Mengen an Metallen, durch deren Wiederverwertung ein Teil der für die Aufarbeitung von Primärrohstoffen benötigten Energie eingespart werden kann. Wenn man pyrometallurgische, hydrometallurgische und biohydrometallurgische Recyclingverfahren vergleicht, ergibt sich, daß letztere weniger Energie verbrauchen und geringere Emissionen aufweisen. Die klassischen Laugungsorganismen in biohydrometallurgischen Verfahren sind acidophile und autotrophe Thiobacillusarten. Diese Bakterien sind jedoch wegen der neutralen bis alkalischen Reaktion vieler metallhaltiger Sekundärrohstoffe nur beschränkt einsetzbar. Hier bieten sich säureproduzierende Pilze als Alternative an. Es werden deshalb die grundlegenden Mechanismen der Produktion organischer Säuren durch filamentöse Pilze und Hefen untersucht. Ausgangspunkt dieser Untersuchungen war die Laugung eines alkalischen Filterstaubes mit dem Pilz Penicillium simplicissimum. Die Adsorption des schwermetallhaltigen und stark puffernden Staubes an die Pilzhyphen bewirkte eine verstärkte Ausscheidung von Citronensäure. Diese stimulierte Citronensäureausscheidung unterscheidet sich deutlich von der bereits seit langer Zeit biotechnologisch genutzten Citronensäureproduktion durch Aspergillus niger. In P.simplicissimum ist es eine hohe Pufferkapazität im Medium, die Veränderungen im energetischen Zustand der Plasmamembran hervorruft und in der Folge zur Ausscheidung organischer Säuren führt. Zentrales Thema ist die Regulation der Protonen-ausscheidenden ATPase in der Plasmamembran. Dieses "master enzyme" der Pilzzelle wird in vielfältiger Weise durch die "Umwelt" der Pilzzelle (pH, Nährstoffangebot, Schwermetalle) beeinflußt. Diese Kausalketten zu erkennen und in der Folge in Richtung gesteigerter Säureausscheidung zu beeinflussen ist unser Ziel. Langfristig sollen diese Arbeiten dazu führen, daß auch in Medien ohne hohe Pufferkapazität die Ausscheidung organischer Säuren stimuliert werden kann.

Elimination schwer abbaubarer organischer Verbindungen

Organische Verbindungen gelangen durch Verbrennungsprozesse, Produktionsanlagen, Deponierung oder Unfälle in die Umwelt und wirken als Schadstoffe. Mikroorganismen sind in der Lage, Xenobiotika je nach Art und Struktur mehr oder weniger schnell abzubauen. Die zur Anwendung gelangenden Technologien richten sich danach, ob die Verbindungen gasförmig, gelöst oder emulgiert in Wasser oder gebunden an organische bzw. anorganische Matrices vorliegen.

Die Schwerpunkte der Arbeiten im liegen in der Elimination von:

chlorierten Kohlenwasserstoffen
polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen
Benzol, Ethylbenzol, Toluol, Xylolen
Mineralölkohlenwasserstoffen

Für zahlreiche Verbindungen konnte bereits der vollständige Abbau durch Bakterien und/oder Pilze nachgewiesen werden. Durch selektive Techniken werden Mikroorgansimen aus unterschiedlichen Substraten angereichert und isoliert. Die praktische Anwendung schadstoffeliminierender Mikroorganismen zur Dekontamination von Produktionsabwässern, Sickerwässern und von Böden ist in Vorbereitung und wird gemeinsam mit Engineeringpartnern durchgeführt.

Einsatz von Nützlingen gegen landwirtschaftliche Schädlinge

Der Einsatz von Mikroorganismen gegen tierische Schadorganismen ist in zahlreichen Fällen eine sinnvolle Alternative zu chemischen Maßnahmen. Beispielsweise ist die Bekämpfung tierischer Schädlinge in Böden wegen des ungenügenden Wirkungsgrades chemischer Wirkstoffe schwierig. Bereits vor Jahren wurde in unserer Arebeitsgruppe der Einsatz nematodenfangender Pilze (Arthrobotrys, Monacrosporium, Dactylaria, etc.) untersucht. Derzeit wird in Feldversuchen die praktische Anwendung des entomopathogenen Pilzes Beauveria brogniartii gegen den Maikäfer vorbereitet. Der Einsatz wirkungsvoller Antagonisten gegen den Engerling des Gartenlaubkäfers wird in einem durch Bund und Land geförderten Projekt bearbeitet und für den praktischen Einsatz vorbereitet.

Institut für Textilchemie und Textilphysik der Universität Innsbruck

Im Institut wird der hydrothermale Aufschluß von pflanzlicher Biomasse unter Verwendung eines 10-Liter-Reaktors untersucht. Die dabei auftretende Fraktionierung führt zu einem cellulosischen Rückstand und einer Hemicellulose-Lösung, die jeweils mit einem Anteil Lignin versetzt sind. Der Rückstand von Stroh, Miscanthus, Pappel, usw. wird auf seine Eignung als Papierrohstoff geprüft. Beide Fraktionen lassen sich nach den bisherigen Erfahrungen gut verzuckern und in Bioethanol umsetzen.

Copyright © OEGBT Last Revision 06/07/2000