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Ilka Duldhardt

• Kurzfassung: Im Rahmen dieser Arbeit sollten 10 verschiedene organische Schadstoffe und Lösungsmittel, darunter BTEX-Verbindungen (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol), (chlorierte) Phenole und aliphatische Alkanole hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Wachstum von Modellorganismen, die unter unterschiedlichen anoxischen Bedingungen wuchsen, geprüft werden. Dabei wurden mit Thauera aromatica, Geobacter sulfurreducens und Desulfococcus multivorans – Arten untersucht, die unterschiedlichen anaeroben Stoffwechselgruppierungen angehören. Trotz geringerer Wachstumsraten der untersuchten anaeroben Mikroorganismen, wurde die Toxizität der Chemikalien mittels eines Wachstumshemmtest abgeschätzt, der bereits für aerobe Bakterien etabliert wurde. Die Toxizitäten der Verbindung wurden dabei als 50% Effektive Konzentrationen (EC50) ausgedrückt, also der Chemikalienkonzentration, die benötigt wird um die Wachstumsrate der Mikroorganismen um 50% zu vermindern. Eine direkte Beziehung zwischen der Toxizität und der Hydrophobizität (log P-Wert) der organischen Verbindungen wurde für alle drei anaeroben Bakterien erfasst. Dabei zeigte sich, dass die drei anaeroben Stämme generell etwas empfindlicher auf die Substanzen reagierten als bisher getestete aerobe Mikroorganismen. Zudem wurden Reaktionen untersucht, die den Bakterien das Überleben in Anwesenheit organischer Lösungsmittel gestattet. Da Membranen die Berührungspunkte zwischen den Mikroorganismen und dem umgebenden Medium darstellen, sind die meisten Anpassungsreaktionen mit der Aufrechterhaltung der Membranfluidität und –stabilität verbunden. Die Änderung der Membranzusammensetzung insbesondere die der Phospholipidfettsäuren (PLFA) spielt dabei eine immense Rolle. T. aromatica und G. sulfurreducens, deren Fettsäuremuster von der Palmitinsäure (C16:0) und der Palmitoleinsäure (C16:1cis) dominiert wurden, reagierten während des Wachstums in Anwesenheit von organischen Lösungsmitteln, mit einem Anstieg des Sättigungsgrades der zellulären Fettsäuren. Das Fettsäurespektrum von D. multivorans wurde durch Palmitinsäure (C16:0) und anteiso-verzweigte Fettsäuren charakterisiert. Insbesondere auf die Anwesenheit von BTEX-Verbindungen reagierten die Zellen des Sulfatreduzierers mit einem Anstieg des Verhältnisses zwischen unverzweigten gesättigten Fettsäuren (C14:0, C16:0, C18:0) und den anteiso-verzweigten Fettsäuren (C15:0anteiso, C17:0anteiso, C17:1anteiso). Die beobachteten Modifikationen auf Ebene der zellulären Fettsäurezusammensetzung sind jedoch nur mittels de novo Synthese der Fettsäuren möglich – einem Prozess, der eng mit Zellwachstum verbunden ist. Die Wachstumsraten der untersuchten, anaeroben Bakterien sind jedoch deutlich geringer als die bisher getesteter aerober Bakterien, somit wird für die Ausprägung der Anpassungsreaktionen mehr Zeit benötigt, was die höhere Empfindlichkeit anaerober Bakterien gegenüber Lösungsmitteln erklären könnte.
• Abstract: In this study, 10 important organic pollutants and solvents such as BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, xylene), chlorinated phenols, and aliphatic alcohols have been monitored regarding their effects on the growth of model organisms, grown under different anoxic conditions. Therefore Thauera aromatica, Geobacter sulfurreducens, and Desulfococcus multivorans; bacteria belonging to different (predominant) anaerobic metabolisms, have been used. Despite smaller growth rates of the investigated anaerobic bacteria, toxicities of the chemicals were estimated using a growth inhibition test, which had already been established for aerobic bacteria. The compound toxicities were expressed as the 50% effective concentrations (EC50), which is the concentration of the chemical required to reduce the microbial growth rate by 50%. Direct relationships between toxicity and hydrophobicity (log P values) of organic compounds were ascertained for the different anaerobic bacteria. However, the three anaerobic bacteria showed to be generally more sensitive to the tested compounds than aerobic bacteria, investigated before. Furthermore, reactions of bacteria have been monitored, that permit their survival in the presence of organic solvents. Since membranes are the contact sites of microorganism to the surrounding solvent, most adaptive mechanisms are concerned with maintenance of the membrane fluidity and lipid phase stability. Thereby, modifications in the composition of membrane phospholipid fatty acids play a decisive role. As prevailing adaptive mechanism in cells of T. aromatica and G. sulfurreducens whose cellular fatty acids patterns were dominated by palmitic acid (C16:0) and palmitoleic acid (C16:1cis), an increase in the degree of saturation of their cellular fatty acids were determined when grown in the presence of the chemicals. Fatty acid pattern of D. multivorans was characterized by palmitic acid (C16:0) and anteiso-branched fatty acids. The cells especially responded to BTEX-compounds with an increase in the ratio of straight-chain saturated fatty acids (C14:0, C16:0, C18:0) to anteiso-branched fatty acids (C15:0anteiso, C17:0anteiso, C17:1anteiso). The observed modification reactions on the level of cellular fatty acid composition can only be carried out by de novo synthesis of the fatty acids; a process strictly related to cell growth. Since growth rates of investigated anaerobic bacteria are much lower than these of aerobic bacteria tested before, also adaptive response required more time. This might explain the higher sensitivity of anaerobic bacteria to solvents, compared to aerobic bacteria.