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Qualitätsbegutachtung komplexer mikrometeorologischer Messstationen im Rahmen des VERTIKO projects (2004)

Matthias Göckede Matthias Mauder Thomas Foken

keine Zusammenfassung

Freisetzung und Transport von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen aus / in kontaminiertem Bodenmaterial:Säulenversuche und Lysimeterstudie (2004)

Florian Storck

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) stellen ein besonderes Risiko für Mensch und Umwelt dar. Auf zahlreichen Flächen, vor allem ehemaligen Industriestandorten wie Gas- und Teerwerken, finden sich mit PAK kontaminierte Böden. Mit Hilfe von Säulen- und Lysimeterversuchen wird in dieser Arbeit der Einfluß der Temperatur sowie Fließgeschwindigkeit und Ionenstärke der Perkolationslösung auf die Freisetzung und den Transport von PAK unter wassergesättigten Bedingungen untersucht. Untersuchungsmaterial ist ein sandig-lehmiger Schluff, der mit Mineralöl und PAK belastet ist. In ihrem grundsätzlichen Aufbau entsprechen die Säulenversuche den Anforderungen der Vornorm prEN 14405 [CEN, 2002] und den Entwürfen DIN V 19736:2001-11 [DIN, 2001] sowie ISO/TC190WG6 [ISO, 2001]. Säulenexperimente wurden bei 15 und 25 °C mit zwei unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten und Flußunterbrechungen zur Identifizierung ratenlimierter Freisetzung durchgeführt. Um den Einfluß der Ionenstärke zu prüfen, wurde mit NaClO4-Lösung (0,02 mol/L, stellvertretend für eine Bodenlösung) und entsalztem Wasser (nach den Vorschriften der Normenentwürfe bzw. stellvertretend für Regenwasser) perkoliert. Die Lysimeterstudie stand unter natürlichem Temperaturregime des Versuchsortes Bayreuth. Von sonstigen atmosphärischen Einflüssen abgeschirmt, wurde das Lysimeter mit den gleichen Perkolationslösungen, die für die Säulenversuche Verwendung fanden, künstlich beregnet. Als bedeutsam für PAK-Transport und -Freisetzung erwies sich die Temperaturerhöhung um 10 °C. Bei hohen Fließgeschwindigkeiten stiegen die Konzentration im Eluat und die Quellstärke toxischer und cancerogener PAK um bis zu 500 % an. Damit erweist sich die in den Normentwürfen festgelegte Temperaturspanne für Säulenexperimente als zu groß. Noch weit stärker wirkt sich der Wechsel der Perkolationslösungen aus. Perkolation mit entsalztem Wasser führte bei hohen Fließgeschwindigkeiten, wie sie etwa bei Starkregenereignissen zu erwarten sind, zu einem Anstieg der Kolloidfreisetzung und der Eluatkonzentration und Quellstärke aller betrachteten PAK. Hervorzuheben ist hier die Zunahme von cancerogenem und für Wasserorganismen hochtoxischem BaPYR und Bbjk-FLA um den Faktor 400 bei hoher Fließgeschwindigkeit. Generell scheint sich mit höherer Fließgeschwindigkeit auch die Quellstärke zu erhöhen. Ergebnisse des Lysimeterversuches und der Säulenexperimente sprechen dafür, daß sich unter den gewählten experimentellen Bedingungen der PAK-Austrag fast ausschließlich auf Kolloide bzw. Partikel mit einem Durchmesser größer 0,7 Mikrometer beschränkt und DOC als Lösungsvermittler eine geringe Rolle spielt. Ratenlimitierte Freisetzung konnte in den Säulenexperimenten für DOC, nicht jedoch für PAK nachgewiesen werden.

Die Spur der Glasperlen. Akteure, Strukturen und Wandel im europäisch-ostafrikanischen Handel mit Glasperlen (2004)

Ulf Vierke

In seiner 2004 eingereichten Dissertation folgt Ulf Vierke der Spur der Glasperlen von ihren europäischen Produktionsorten im oberfränkischen Fichtelgebirge und im böhmischen Isergebirge bis hin zu den Maasai in Ostafrika. Eine Route, die die Glasperlen sogar – jetzt zu Souvenirs verarbeitet – wieder nach Europa zurückführt. Es sind aber keineswegs die Glasperlen selbst, die im Zentrum der Untersuchung stehen, sondern vielmehr die Akteure, die mit diesen umgehen: die Perlenmacher in handwerklichen Betrieben etwa im Fichtelgebirge, die Arbeiter in den grossen Perlenindustrien Böhmens, die Händler in Europa, Indien und Afrika, die Frauen, die in Ostafrika Perlen zu Schmuck verarbeiten, und diejenigen, die letztlich diesen Schmuck tragen. Der Focus der Arbeit liegt auf dem Handeln der Menschen und auf der Vitalität gegenwärtiger Prozesse. Aneignung und Übereignung sind zentrale Begriffe, wenn es um die Interaktionen innerhalb der Vernetzung des globalen Warenaustausches geht. In Prozessen Aneignung, denen bisher das Hauptaugenmerk der Ethnologischen Forschung gilt, ist der Konsument Hauptakteur und dem Händler oder anderen Bringern kommt lediglich eine Hilfsrolle zu. Der Autor wendet die Perspektive und betont gerade die Prozesse der Entäusserung, des Vermittelns, des Werbens, die auf Seiten der Händler und Mittler untersucht werden müssen. Analog zur Aneignung führt er das Konzept der Übereignung ein. Sie umfasst den tatsächlichen Austausch, also den Übergang der Ware von einem Besitzer zu einem neuen, ebenso wie die kulturelle Interpretation und Umdeutung, die gerade zu das bestimmende Element der Handlungen eines Händlers ist. Der Händler ist in diesem Sinn mehr noch als ein Übersetzer, er ist cultural broker. Angeregt durch Sidney Mintzs klassische Studie aus dem Jahr 1985 “Sweetness and Power” bezieht der Autor seine Analyse nicht nur auf eine ethnologische Mikroperspektive sondern bezieht sich ebenso auf Prozesse und Strukturen globaler Integration. Indem er dies tut, eröffnet er auch einen facettenreichen Blick auf die historischen Hintergründe der Produktion, Distribution und Konsumption. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem 16. bis 20. Jahrhundert. Analog zum weit gespannten Gegenstandsbereich kann der Autor auf ein breites methodologisches Instrumentarium rekurrieren, das von Teilneh-mender Beobachtung über Archiv-, Bibliotheks- und Museumsrecherchen bis hin zu Methoden aus der aktuellen Multi-Sited-Ethnography reicht.

Abschätzung der mikrobiellen Diversität in anoxisch sauren Sedimenten von Braunkohle-Restseen unter Berücksichtigung des Eisenschwefelkreislaufs (2004)

Marco Blöthe

Das Sediment im Restsee 77 wird durch den Verlauf des pH-Wertes dominiert. Dieser liegt im oberen Bereich bei 3 und steigt mit der Tiefe auf Werte von 5,5-6 an. Anhand des pH-Verlaufs wurde das Sediment in die Zonen I bis IV unterteilt. In Zonen I und III konnte eine spontane Fe(II)ges.-Freisetzung beobachtet werden, wobei diese in Zone I abhängig vom pH-Wert war. Diese konnte durch eine Anhebung des pH um den Faktor 2,2 gesteigert werden. Für die Zone III konnte bei Absenkung des pH-Wertes hingegen kein eindeutiger Effekt beobachtet werden. Mit Anstieg des pH im Sediment konnte zwar eine Abnahme der Zellzahl/ml beobachtet werden, die Diversität der Mikrobiota stieg jedoch an. Dies konnte mit unterschiedlichen molekularbiologischen Methoden bestätigt werden. Die allgemeine sowie die DGGE-Klonbibliothek wiesen in Zonen III eine höhere Diversität als in Zone I auf. Dominierend war die ubiquitär vorkommende Gruppe der Acidobacteria. Allerdings ist bis heute mit A. capsulatum nur eine Art kultiviert worden, von der eine dissimilatorische Fe(III) Reduktion nicht bekannt ist. Die allgemeinen Klondatenbank enthielt keinen Hinweis auf eine spezifische Fe(III)-reduzierende Mikrobiota. Von den bis heute bekannten dissimilatorischen Fe(III)-Reduzierern wurden nur Vertreter aus der Gruppe der Geobacteriaceae gefunden. Mit dem Primer-Set GM3/Geo825R für Geobacter konnte ein positives Signal in Zone III bei einer Verdünnugsstufe von 10-1 erhalten werden. In Zone I und Zone II lag die höchste positive Verdünnungsstufe bei 100. Mit dem Primer-Set Gb564/Gb1290 ergab sich ein leicht abgewandeltes Bild. Mit diesen Primern lag die höchste positive Verdünnungsstufe in Zone II und Zone III bei 10-2. Hingegen konnte in Zone I nur mit der unverdünnten DNA ein positives Signal erhalten werden. Mit den für Geothrix spezifischen Primern konnte nur in Zone II bis zu einer Verdünnungsstufe von 10-1 ein positives Signal erhalten werden. Allerdings bestand das erhaltene Produkt aus einer Doppelbande, was auf eine unspezifischen Reaktion während der PCR hindeutet. Kein positives Signal konnte für Shewanella erhalten werden. Für die azidophilen Fe(III)-Reduzierer konnte eine Anpassung beobachtet werden. Für die Acidiphilium-Spezies konnten acht Phylotypen differenziert werden, von denen vier in Zone I und III vorkamen. Die restlichen vier wurden hingegen nur in Zone III nachgewiesen. Ein Sequenzvergleich der Phylotypen aus Zone I und Zone III mit der EMBL-Datenbank ergab ausschließliche Ähnlichkeiten von 99% zu Acidiphilium-Spezies. Die Sequenzen der vier Phylotypen aus Zone III waren zu 95% sequenzähnlich zu kultivierten Acidiphilium oder Acidosphaera Spezies. Die phylogenetische Analyse ergab zwei Gruppen. Gruppe 1 enthält die Phylotypen, die nur in Zone III gefunden wurden. Die Phylotypen von Zone I und Zone III clusterten in Gruppe 2. Für die 'Bioleaching-Assoziierten'-16S rDNA wurden 20 Klone aus Zone I und 28 Klone aus Zone III auf redundante Klone über RFLP gescreent, wobei nur 1 Phylotyp mit 99%ige Sequenzähnlichkeit mit A. ferrooxidans unterschieden werden konnte. A. ferrooxidans reduziert unter sauren pH-Bedingungen (pH 3) mit 20 mM S° als Elektronenquelle alle getesteten Eisenfestphasen, wobei die Fe(II)ges.-Freisetzung mit abnehmender Kristallinität der Fe(III)-Minerale zunimmt. Unter erhöhten pH-Bedingungen (pH 5) erfolgte keine nennenswerte Fe(III)-Reduktion. Die Ergebnisse mit den Reinkulturen deuten darauf hin, dass autotrophe azidophile Fe(III)-Reduzierer unter erhöhten pH-Werten keinen Beitrag zur Fe(III)-Reduktion in Zone III leisten. Eine Fe(III)-Reduktion konnte ebenfalls für den heterotrophen Modellorganismus A. capsulatum gezeigt werden. In Reinkulturexperimenten mit A. capsulatum wurde die Fähigkeit zur Fe(III)-Reduktion getestet. Dabei konnte gezeigt werden, das sowohl Fe(III)-Minerale als auch lösliche Fe(III)-Formen in einem pH-Bereich von 2,2-5 reduziert werden. Hierbei werden zwischen 5 und 40% der aus der Glukoseoxidation gewonnenen Elektronen auf Fe(III) übertragen. Die von PEINE (1998) formulierte Hypothese eins gekoppelten Eisen-Schwefelkreislaufs konnte an zwei Anreicherungskulturen sowie einem Isolat demonstriert werden. Hierbei wurden unterschiedliche Prozesse identifiziert. Anreicherungskulturen MB1 und MB2 oxidierten elementaren Schwefel bzw. Thiosulfat, wobei die Elektronen auf die Fe(III)-Minerale übertragen werden. Isolat MB3 betrieb eine Disproportionierung, bei der das gebildete Sulfid mit den Fe(III)-Mineralen chemisch zu Fe(II) und elementarem Schwefel reagiert. Beide Prozesse gehen vom elementarem Schwefel aus, der im Sediment durch eine Reaktion des Sulfids aus der Sulfatreduktion mit den Fe(III)-Mineralen entsteht. Die Bildung von elementarem Schwefel als Reaktionsprodukt aus der chemischen Reaktion von Na2S mit Fe(III) unter sauren Bedingungen konnte sowohl in Batch-Versuchen als auch in Mikrokosmenexperimenten gezeigt werden.

Aerob-thermophile Reinigung mineralölkontaminierter Abwässer (2004)

Alexandra Oberthür

Unter aeroben Bedingungen ist der thermophile Mikroorganismus Geobacillus thermoleovorans im Labor- und Pilotmaßstab fähig, verschiedene mit Mineralölen kontaminierte Abwässer als einzige Kohlenstoffquelle zu nutzen. Die Verwertbarkeit eines synthetischen Dieselöls sowie eines Kühlschmierstoffs standardisierter Zusammensetzung durch die Kultur wurde untersucht. Des Weiteren wurden Kühlschmieremulsionen aus Kfz-Produktionsstätten und Spüllösungen zum Reinigen von Lackleitungen auf deren biologische Abbaubarkeit hin geprüft. Der Nachweis von Metaboliten erfolgte an einem GC-FID-System (Gaschromatograph mit Flammenionisationsdetektor). Im Vergleich zum Standardsubstrat Olivenöl wurden ähnliche, in Einzelfällen sogar höhere Wachstumsraten und Zelldichten erzielt. Hierbei wurde nachgewiesen, dass die Initialisierung der Lipaseexpression durch Triglyceride Voraussetzung für den effizienten Abbau von Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW) durch Geobacillus thermoleovorans ist. Da MKW in der Praxis nahezu ausschließlich in Verbindung mit einer Vielzahl von Additiven gebraucht werden, wurde der Einfluss verschiedener Zusatzstoffe auf die Mikroorganismen erforscht. Als Kohlenstoffquelle diente das synthetische Dieselöl, als Zusatzstoffe wurden insbesondere Tenside, Flockungsmittel, Komplexbildner und Entschäumer verwendet. Es zeigte sich, dass alle eingesetzten anionischen Tenside (Natrimlaurylsulfat = SDS, Natriumlaurylbenzolsulfonat = SDBS) und nichtionischen Tenside (Tergitol NPX, Triton X 100) in Konzentrationen unterhalb der kritischen Mizellenbildungskonzentration (CMC, engl. Critical Micelle Concentration) nachweislich das Wachstum der Kultur durch die Verbesserung der Substrat-Bioverfügbarkeit stimulieren. Oberhalb der CMC fördern anionische Tenside das Wachstum der Kultur; nichtionische Tenside wirken mit ansteigender Konzentration zunehmend inhibierend. Triton X 100 unterdrückt in Konzentrationen oberhalb der CMC die extrazelluläre Lipaseaktivität vollständig. Positive und negative Effekte auf das Wachstumsverhalten der Kultur sind gleichermaßen das Resultat von Tensid-Membran-Interaktionen. Durch Einlagerung in die Zellmembranen erhöhen die Tenside die Permeabilität der Membranen für Enzyme, was wiederum zu einer Beschleunigung des MKW-Abbaus führt. Der inhibierende Einfluss von Triton X 100 hingegen kann auf die Konformation des Tensids zurückgeführt werden, die entweder die Ausscheidung von Enzymen behindert oder Zellmembran oder Enzyme direkt schädigt. Die experimentell ermittelten CMC im aerob-thermophilen System betrugen 50 mg/L für SDS und SDBS, 90 mg/L für Tergitol NPX® und 108 mg/L für Triton X 100. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass SDBS in Anwesenheit von MKW metabolisiert wird. In Abwesenheit anderer Kohlenstoffquellen kann auch SDS von Geobacillus thermoleovorans verwertet werden. Ein Abbau nichtionischer Tenside wurde hingegen nicht beobachtet. Die Anwesenheit nichtionischer Tenside ist daher, wie nach der Durchführung einer Diskriminanzanalyse bestätigt wurde, das wichtigste Entscheidungskriterium bzgl. der Anwendbarkeit des Verfahrens zur Reinigung bislang nicht experimentell untersuchter MKW-haltiger Abwässer. Basierend auf den versuchsbegleitend erhobenen Wachstumsparametern wurde ein Vorhersagemodell zur Übertragbarkeit des aerob-thermophilen Verfahrens entwickelt. Geobacillus thermoleovorans weist eine hohe Resistenz gegenüber Bioziden, Schwermetallen und weiteren in Reinigungs- und Schmiermitteln eingesetzten Zusatzstoffen auf. Erst in Konzentrationen ab 1.500 mg/L bewirkt Antimon(III)oxid eine Inhibierung des Wachstums. Eine Anreicherung der genannten Substanzen im Abstrom der Anlage ist daher zu erwarten. Weiterer Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der Aufklärung der Metabolisierungspfade von Geobacillus thermoleovorans in Bezug auf (Poly-)Ether und Biozide. Bei der weiteren Verfahrensoptimierung ist insbesondere die Reduktion des Energiebedarfs der Anlage anzustreben. Darüber hinaus empfiehlt sich der Einsatz des Verfahrens in (sub)tropischen Ländern sowie die Ausnutzung von Prozesswärme. Die Entsorgung metallbelasteter Schlämme und anderer nicht abbaubarer Feststoffe ist sicher zu stellen. Bei der Behandlung von Kühlschmierstoffen und ähnlich hoch CSB-belasteten Abwässern (CSB: Chemischer Sauerstoffbedarf) ist die Bereitstellung von Verdünnungswasser notwendig, da eine Raumlast von 13 kg CSB/m -3 d -3 die Belastungsobergrenze für das Verfahren darstellt. Aufgrund der hohen Prozess-Stabilität, der kurzen Anlaufzeiten, der hohen Wachstumsraten und der einfachen Betreuung ist das Verfahren sehr flexibel und vielfältig einsetzbar. Eine weitere Vertiefung dieses innovativen Ansatzes in der Abwasserreinigung ist von daher wünschenswert.

Hochtemperatursynthese von Smectiten und deren dreidimensional geordnete Einlagerungsverbindungen (2004)

Wolfgang Seidl

Mit Hilfe einer Hochtemperatursynthese bei 1750 °C im geschlossenen System konnte eine Reihe neuer, einphasiger und ladungshomogener 2:1 Schichtsilicate hergestellt werden. Durch Kombination unterschiedlicher isomorpher Substitutionen in den 2:1 Schichtsilicaten zur Generierung der negativen Schichtladung mit verschiedenen Zwischenschichtkationen der Alkali- und/oder der Erdalkalielemente konnte gezeigt werden, dass bei den phasenreinen 2:1 Schichtsilicaten die durch zweidimensionale, planare Defekte verursachte Fehlordnung von der Größe des Zwischenschichtkations und der Art der isomorphen Substitution abhängt. Trotz häufigem Wechsel der Kationenaustauschlösung konnte aber aus zwei Gründen bei keinem aus der Hochtemperatursynthese erzeugten dreidimensional geordneten Schichtsilicat eine vollständige Einlagerung erzielt werden. Zum einen wirkt sich das Aspektverhältnis bei dünnen (<< 1 µm), in der lateralen Ausdehnung sehr breiten Silicatkristallen (> 1 mm), negativ auf die Geschwindigkeit und die Vollständigkeit einer Einlagerungsreaktion aus. Zum anderen behindern die Verwachsungen in den Produkten aus der Hochtemperatursynthese die Einlagerungsreaktion beträchtlich. Durch thermische Nachbehandlung knapp unterhalb des Schmelzpunktes wurde versucht, diese beiden Probleme zu beseitigen. Während beim Cs-Hectorit ein exakter Schmelzpunkt bestimmt werden konnte und nach dem Tempern kaum verwachsene Kristalle mit deutlich höherem Aspektverhältnis erhalten wurden, mussten beim K-Vermiculit aufgrund eines inkongruenten Schmelzverhaltens mehrere Temperversuche durchgeführt werden, die sowohl ein eher lockeres Gefüge von Kristallen als auch einen kompakten, „glasartigen“ Bulk ergaben. Bei Kationenaustauschversuchen der verschiedenen K-Vermiculit-Temperproben mit Ba2+ bei gleichen Reaktionsparametern zeigte der „glasartige“, kompakte Bulk zwar die höchste intrakristalline Reaktivität, aber selbst in dieser Temperprobe konnten die Zwischenschichtkationen nicht vollständig gegen Ba2+ ausgetauscht werden. Dagegen konnte durch das Tempern beim Cs-Hectorit die intrakristalline Reaktivität so weit gesteigert werden, dass nach Optimierung der Austauschbedingungen mit mehreren organischen Kationen dreidimensional geordnete Einlagerungsverbindungen erhalten wurden. Bei zwei dieser Verbindungen (DDABCO-Hectorit und TMA-Hectorit) konnte durch Einkristallstrukturanalyse und -verfeinerung die Anordnung der organischen Kationen im Zwischenschichtraum relativ zu den Silicatschichten bestimmt werden. Beim DDABCO-Hectorit wurde außerdem eine reversible Umorientierung des Zwischenschichtkations in Abhängigkeit von der relativen Feuchtigkeit der Umgebung beobachtet, mit der auch das Entstehen bzw. Ausheilen von planaren Defekten einhergeht. Weil die organischen Zwischenschichtkationen bei diesen beiden Einlagerungsverbindungen mehrere entartete Orientierungen relativ zueinander annehmen können, wurde trotz homogener Schichtladungsverteilung im Röntgenpulverdiffraktogramm nur im Ansatz eine zweidimensionale Fernordnung beobachtet. Dagegen traten bei dreidimensional geordneten Einlagerungsverbindungen des getemperten Cs-Hectorits mit 2H-DABCO2+ und H-MDABCO2+ in den Pulverdiffraktogrammen nach vollständiger Einlagerung deutlich Überstrukturreflexe in Erscheinung. Mit dem getemperten Cs-Hectorit liegt nun erstmals ein dreidimensional geordneter Smectit mit ausreichender intrakristalliner Reaktivität vor, aus dem sich durch Einlagerung mit geeigneten Zwischenschichtkationen dreidimensional geordnete Einlagerungsverbindungen erzeugen lassen. Durch Einkristallstrukturanalyse kann bei den Einlagerungsverbindungen die Struktur des Zwischenschichtraums routinemäßig aufgeklärt werden, was in Zukunft zu einem deutlich besseren Verständnis der Wirt-Gast-Wechselwirkungen im Zwischenschichtraum eines 2:1 Schichtsilicates führen sollte.

Änderungen intramolekularer Abstände bei der Faltung des Kälteschockproteins aus Bacillus caldolyticus (2004)

Christine Magg

Das kleine Kälteschockprotein Bc-Csp bildet ein beta-barrel aus fünf antiparallelen beta-Faltblattsträngen. Es faltet gemäß einem Zweizustandsmechanismus und erreicht den nativen Zustand in Abwesenheit von Denaturierungsmittel innerhalb einer Millisekunde. Um die strukturellen Veränderungen während dieser schnellen Faltungsreaktion zu untersuchen, wurden intramolekulare Abstandsänderungen mit Hilfe des Förster-Resonanzenergietransfers (FRET) bestimmt. Einzelne Tryptophanreste wurden als Donor und einzelne 5-(((acetylamino)ethyl)amino)-naphthalin-1-sulfonsäure-Reste (AEDANS) als Akzeptor in das Protein eingeführt. An der Oberfläche von Bc-Csp wurden vier verschiedene Donor- und vier verschiedene Akzeptorpositionen ausgewählt. Diese Positionen wurden zu neun einzelnen Donor-Akzeptor Proteinvarianten kombiniert, so daß Änderungen von neun intramolekularen Abständen verfolgt werden konnten. In den nativen Proteinen betrugen diese Abstände zwischen 1,4 und 2,8 nm. Für das Trp/AEDANS Paar liegt der charakteristische Transferabstand im Bereich von 2,2 nm, was ungefähr dem Durchmesser von Bc-Csp entspricht und daher sehr empfindliche Messungen ermöglicht. In den einzelnen Proteinen wurde der Abstand zwischen Donor und Akzeptor sowohl unter nativen als auch unter Entfaltungsbedingungen bestimmt. Für die gefalteten Proteine sind die gemessenen Abstände mit denen aus der Kristallstruktur von Bc-Csp vereinbar, wenn die Länge des AEDANS linker berücksichtigt wird. Bei den entfalteten Proteinen wird eine gute Übereinstimmung mit den berechneten Abständen in einer zufällig angeordneten Peptidkette gefunden. Es gibt daher keinen Hinweis auf nativähnliche Reststrukturen im entfalteten Protein. Die Mutationen und Modifikationen, um sowohl den FRET Donor als auch Akzeptor einzuführen, verringerten die Stabilität von Bc-Csp nur geringfügig und führten zu keiner Veränderung der Rückfaltungsreaktion. Die Änderungen der Transfereffizienz während der Faltung wurden in kinetischen stopped-flow-Experimenten anhand der Trp- und der AEDANS-Fluoreszenz bestimmt. Für diese beiden Sonden wurden reziproke Effekte beobachtet. Bei niedrigen Konzentrationen des Denaturierungsmittels wird bereits in der Totzeit der stopped-flow-Rückfaltungsexperimente ein Anstieg der Transfereffizienz beobachtet, der von einem schnellen Kollaps des entfalteten Proteins verursacht wird. In Abhängigkeit von der Position des Donors und des Akzeptors findet bis zu 70 % der gesamten Abstandsänderung vor dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung statt. Mit Drucksprung- und Temperatursprungexperimenten wird eine höhere Zeitauflösung erreicht, aber der Zeitverlauf des Kollapses konnte auch mit diesen Methoden nicht verfolgt werden. In der Totzeit der Temperatursprungmessungen kommt es zu einer schwachen Effizienzänderung, so daß der Kollaps möglicherweise schneller ist als 0,1 Mikrosekunden. Alle Donor-Akzeptor Proteine zeigen unabhängig vom äußerst schnellen Kollaps ein Zweizustandsverhalten im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung. Es tritt keine Abweichung von der Linearität in den Chevronauftragungen auf, und die kinetischen und die Gleichgewichts-m-Werte stimmen überein. Diese Befunde deuten auf einen kollabierten Zustand hin, der zwar eine kompakte Struktur besitzt, aber für Wasser und Denaturierungsmittel immer noch gut zugänglich ist. Beide Eigenschaften konnten mit Hilfe verschiedener Lösungsmittelzusätze bestätigt werden: Ammoniumsulfat stabilisiert den kompakten kollabierten Zustand, durch Ethylenglykol wird er hingegen destabilisiert. Ethylenglykol wird vom immer noch lösungsmittelzugänglichen Peptidrückgrat des kollabierten Zustands ausgeschlossen. Beim kollabierten Zustand handelt es sich also nicht um ein gut definiertes, teilgefaltetes Intermediat. Der entfaltete und der kollabierte Zustand von Bc-Csp sind wahrscheinlich nicht durch eine Energiebarriere getrennt, sondern bilden zusammen ein Kontinuum von Konformationen mit unterschiedlicher Kompaktheit. Thermodynamisch betrachtet können die kollabierten Moleküle so dem entfalteten Zustand zugeordnet werden. Der Kollaps der Peptidkette ist eine Reaktion auf den Transfer in ein schlechteres Lösungsmittel bei der Rückfaltung. Dieser kollabierte Zustand verzögert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung nicht, und daher erfolgt die effiziente und schnelle Bildung des nativen Zustands von Bc-Csp innerhalb von Millisekunden.

Untersuchungen zur Diffusion und Reaktion von Kohlenstoff auf Nickel- und Eisenoberflächen sowie von Beryllium auf Wolfram (2004)

Almut Wiltner

Die chemische Wechselwirkung und die Diffusion von dünnen C-Schichten auf Ni- und Fe-Oberflächen sowie von Be-Schichten auf polykristallinen W-Substraten werden mit der oberflächensensitiven Analysemethode Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Dabei erfolgt die Schichtdeponierung aus der Gasphase durch Elektronenbeschuß eines Graphitstabs bzw. von metallischem Be, das in einem BeO-Heiztiegel vorliegt. Die C-Schichten werden auf Ni(100), Ni(111) und Fe(110) deponiert. Diese Substratoberflächen repräsentieren sowohl die dichtesten als auch offene Atomanordnungen. Die Bildung der entsprechenden Ni- und Fe-Carbide verläuft in einer endothermen Reaktion. Die Carbidbildung und C-Diffusion werden vom untersuchten Substrat und der jeweiligen Oberflächenatomanordnung beeinflußt. Die bei Raumtemperatur aufgebrachten C-Schichten werden mit XPS analysiert. Im C 1s-Signal wird hauptsächlich elementarer C nachgewiesen. Dieser nicht reagierte C besteht aus dem graphitischen und dem ungeordneten Anteil. Obwohl die Carbidbildungsreaktionen endotherm sind, wird auf allen untersuchten Substratoberflächen zusätzlich ein Carbidanteil nachgewiesen. Dieser Anteil ist auf das unmittelbare Interface limitiert und wird mit der Bildung eines Oberflächencarbids erklärt. Die C-Schichten werden nachfolgend geheizt. Dabei werden zwei experimentelle Verfahren angewandt. Im Verfahren I werden die Proben in Schritten von 50 bzw. 100 K bis zu einer Temperatur von 970 K für jeweils 10 bzw. 30 Minuten geheizt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur werden die Systeme nach jedem Heizschritt mit XPS analysiert. Im thermischen Verhalten zeigen sich dabei verschiedene Phasen. Das anfänglich gebildete Carbid wird zunächst zersetzt (Phase I, 370-570 K), die C 1s-Signalintensität des elementaren C-Anteils nimmt entsprechend zu. Im weiteren Temperaturverlauf wird die Phase II (>370 K) identifiziert. In dieser Phase nimmt der ungeordnete C-Anteil ab, die Signalintensität des graphitischen Anteils steigt entsprechend an. Diese Reaktion wird als Umordnungsreaktion des elementaren C-Anteils bezeichnet. Phase I und II werden auf allen Substratoberflächen im gleichen Temperaturbereich beobachtet. In Abhängigkeit von Substrat und der untersuchten Oberfläche setzt die C-Diffusion (Phase III) ein. Auf Fe(110) die C 1s-Signalintensität bei 620 K ab, gefolgt von Ni(100) bei 670 K und Ni(111) bei 770 K. Der C-Verlust innerhalb dieser Phase führt zu einer Abnahme des C 1s-Signals innerhalb von 200 K. An der Oberfläche ist nach diesem Temperaturbereich eine C-Restbedeckung von weniger als einer Monolage nachweisbar. Zur Ermittlung der kinetischen Parameter (Aktivierungsenergien) für die identifizierten Phasen werden C-Schichten im Heizverfahren II untersucht. Dabei werden die jeweiligen Systeme für mehrere Stunden bei ausgewählten Temperaturen gehalten und dabei mit XPS analysiert. In diesem experimentellen Heizverfahren kann zusätzlich die endotherme Carbidbildungsreaktion, die im Verfahren I nicht eindeutig zu identifizieren ist, charakterisiert werden. Die in beiden Verfahren ermittelten Reaktionen werden sowohl vom untersuchten Substrat als auch von der vorliegenden Struktur beeinflußt. Da die gebildeten Carbide durch die Einlagerung von C-Atomen in das Metallatomgitter entstehen, geht diese Reaktion mit der C-Diffusion einher. Die Be-Schichten werden auf polykristalline W-Substrate deponiert. Das Be 1s-Signal weist hauptsächlich metallisches Be auf. Bereits bei Raumtemperatur wird sowohl im Be 1s- als auch im W 4f-Signal eine Be-W-Mischphase nachgewiesen. Diese Mischphase wird mit der Bildung einer Oberflächenlegierung erklärt. Im Be 1s-Signal wird außerdem ein oxidischer Anteil nachgewiesen. Das thermische Verhalten der Be-Schichten ist abhängig von der anfänglich deponierten Schichtdicke. Dünne Filme (bis 1.2 nm) weisen bis 970 K eine konstante Schichtdicke auf. Werden Be-Schichten mit einer anfänglichen Dicke von 1.2-3.0 nm aufgebracht, nimmt die Be-Menge ab 670 K innerhalb weniger Minuten deutlich ab. Die nach den Heizschritten bis 970 K an der Oberfläche verbleibende Be-Schichtdicke (1.0-.2 nm) ist mit den zuvor erwähnten dünnen Filmen vergleichbar. Be-Schichten mit einer anfänglichen Dicke von mehr als 3.0 nm zeigen eine wesentlich langsamere Abnahme der Schichtdicke bei vergleichbaren Temperaturen. Nach dem letzten Heizschritt bei 970 K ist die verbleibende Schichtdicke größer als 1.4 nm. Unabhängig von der Schichtdicke nimmt die Intensität des Legierungsanteils im Be 1s- und W 4f-Signal ab 670 K zu. Das stöchiometrische Verhältnis des Legierungsanteils in beiden Signalen deutet auf die Bildung von Be(2)W(1) hin. Nach Abschluß der Heizexperimente weisen Tiefenprofile auf eine Be-Diffusion, die auf die Be-W-Mischphase begrenzt ist, hin. Der Verlust des Be wird entsprechend mit der Be-Desorption erklärt.

Austausch von Silizium durch die dreiwertigen Kationen von Eisen und Aluminium in CaSiO3-Perowskiten: Mechanismen und Auswirkungen auf die Mineralogie der Übergangszone (2004)

Ulrich Bläß

Um den Einfluss dreiwertiger Kationen sowohl auf die strukturellen Eigenschaften von CaSiO3-Perowskit als auch die daraus resultierenden Auswirkungen auf den Erdmantel abschätzen zu können, sind Hochdruck- Hochtemperaturexperimente in den beiden Systemen CaSiO3 – CaFeO2,5 und CaSiO3 – CaAlO2,5 bei Drücken zwischen 3 und 25 GPa und Temperaturen zwischen 800° und 1900°C durchgeführt worden. Die Ergebnisse im eisenhaltigen System zeigen bei den P-T-Bedingungen der Übergangszone eine nur geringe Eisen-Löslichkeit über den Defektmechanismus (4 mol% bei 16 GPa). Diese vermutlich ungeordnete Phase ist durch eine breite Mischungslücke von einem neuartigen Defektperowskit mit Ca(Fe0,4Si0,6)O2,8 Stöchiometrie getrennt, in welchem die Ordnung von Sauerstoffdefekten innerhalb diskreter Lagen zu einer 10-fachen Überstruktur entlang der pseudokubischen [111]-Richtung führt. Bei einer Sauerstofffugazität von ca. Re-ReO2 ist dieser Defektperowskit zwischen ca. 11 bis 22 GPa und 1000° bis >1800°C stabil, zerfällt jedoch bei einer niedrigeren Sauerstofffugazität von Mo-MoO. Experimente oberhalb der Stabilität des geordneten Defektperowskits geben Hinweise auf eine erheblich ansteigende Eisen-Löslichkeit in reinem CaSiO3-Perowskit. Auf eisenreicheren Zusammensetzungen oder bei tieferen Drücken treten abgesehen von dem Endglied Ca2Fe2O5 mit Brownmillerit-Struktur keine weiteren Defektperowskite auf. Dessen Hochdruckstabilitätsgrenze ist experimentell bestimmt worden und liegt bei ca. 4,5 GPa. Die Gleichgewichts-Phasenbeziehungen aller Zusammensetzungen sind für ausgewählte Drücke beschrieben. Neben den beschriebenen Perowskit-Phasen treten als weitere Phasen im wesentlichen Dicalciumsilikat, eine calciumarme Ferritphase und teilweise Andradit auf. Vergleichbare Experimente im aluminiumhaltigen System haben die Existenz zweier Defektperowskite mit Ca(Al0,4Si0,6)O2,8 und Ca(Al0,5Si0,5)O2,8 Stöchiometrie aufgedeckt. Dabei weist erstere Phase eine analoge 10-fache Überstruktur wie der eisenhaltige Defektperowskit auf. Ihr Stabilitätsfeld ist mit ca. 9 GPa bis 18 GPa zu etwas niedrigeren Drücken verschoben bei einer gleichzeitig erhöhten Liquidus-Temperatur. Aufgrund ähnlicher Gitterkonstanten ist eine ausgedehnte Mischkristallbildung mit dem eisenhaltigen Defektperowskit zu vermuten. Der andere Defektperowskit mit Ca(Al0,5Si0,5)O2,8 Stöchiometrie besitzt dagegen entlang der pseudokubischen [111]-Richtung eine 8-fache Überstruktur mit vermutlich gleicher Ordnung von Sauerstoffleerstellen innerhalb der Defektlagen. Sein Stabilitätsfeld ist zu erheblich niedrigeren Drücken verschoben und liegt zwischen ca. 4 und 12 GPa bei ebenfalls relativ hohen Liquidus-Temperaturen. Syntheseexperimente bei P-T-x-Bedingungen unter denen keiner der geordneten Defektperowskite stabil ist, führen zu einer metastabilen Bildung von extrem feinkörnigen Defektperowskiten, welche teilweise eine partielle Ordnung der Defektlagen und eine domänenreiche Mikrostruktur aufweisen. Aufgrund dieser Resultate können in dem aluminiumhaltigen System keine Gleichgewichts-Phasenbeziehungen aufgezeigt werden. Da jedoch der Silizium-Aluminium-Austausch mit dem Einbau von Sauerstoffdefekten gekoppelt ist, ist eine mit dem eisenhaltigen System vergleichbare Löslichkeit von Aluminium in reinem CaSiO3-Perowskit zu erwarten. Alle drei Defektperowskite sind ausführlich mittels optischer Mikroskopie, Elektronenstrahlmikrosonde, Röntgen- und Elektronenbeugung, Mössbauer- und Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie sowie bezüglich ihrer Mikrostruktur am Transmissionselektronenmikroskop untersucht worden. Die Mikrostruktur aller drei geordneter Defektperowskite ist relativ arm an Versetzungen, weist jedoch eine reiche Verzwillingung nach zwei verschiedenen Gesetzmäßigkeiten auf. Zum einen handelt es sich um ferroelastische Zwillinge, welche zusammen mit einer geringfügigen Gitterverzerrung von einer rhomboedrischen Symmetrie die Existenz einer rhomboedrischen Hochtemperaturphase andeuten. Zum anderen treten Wachstumszwillinge auf, bei welchen die Überstruktur der einzelnen Domänen entlang je einer der vier möglichen pseudokubisch dreizähligen Achsen ausgebildet ist. Mögliche Strukturmodelle dieser Defektperowskite bestehen entlang der pseudokubischen [111]-Achse abwechselnd aus Defektlagen mit Silizium in vierfacher oder eventuell auch fünffacher Koordination und Blöcken mit Perowskitstruktur, welche die dreiwertigen Kationen enthalten. Das potentielle Auftreten der Defektperowskite im Erdmantel ist diskutiert. Aufgrund der Phasenbeziehungen ist eine Bildung innerhalb peridotitischer oder MORB Zusammensetzungen nicht zu erwarten. Jedoch zeigen die Experimente dieser Arbeit, dass die Konzentration an dreiwertiger Kationen in CaSiO3-Perowskiten der Übergangszone auf wenige Prozent beschränkt ist, aber möglicherweise in den oberen Bereichen des Unteren Erdmantels in Abhängigkeit von den Verteilungskoeffizienten gegenüber Magnesiumsilikat-Perowskit erheblich ansteigt.

Bestimmung der Struktur der 15. Domäne des Multidomäneninhibitors LEKTI mittels NMR-Spektroskopie und Design einer inhibitorisch wirksamen Mutante (2004)

Klaus Vitzithum

In der vorliegenden Arbeit wurde die Struktur der 15. Domäne des Multidomänen-Inhibitors LEKTI mittels NMR-Spektroskopie bestimmt, sowie die inhibitorischen Eigenschaften dieser Domäne untersucht. Das Vorläuferprotein LEKTI (lympho-epithelial Kazal-type-related inhibitor) umfasst fünfzehn Domänen, von denen die 2. und 15. Domäne zwar ein typisches Kazalmotiv zeigen, jedoch anstatt der für klassische Kazalvertreter üblichen sechs 12-13 Reste zwischen den ersten beiden Cysteinen aufweisen. Bei der schweren autosomal rezessiven Erbkrankheit Netherton Syndrom werden Mutationen im LEKTI-Gen gefunden, die eine vorzeitige Termination der Translation verursachen und daher nur zu verkürzt gebildetem LEKTI-Protein führen. Da die LEKTI-Domäne 15 bei Patienten mit Netherton Syndrom nicht exprimiert wird, ist diese besonders interessant. Einige Symptome des Netherton Syndroms legen eine Fehlregulierung der Proteinase Tryptase nahe, da diese eine Schlüsselrolle bei Überempfindlichkeitsreaktionen und Asthma einnimmt. Bei einem Sequenzvergleich des bislang einzig bekannten natürlich vorkommenden Tryptase-Inhibitors LDTI (leech derived tryptase inhibitor) mit den LEKTI-Domänen wurde eine signifikante Homologie zwischen Domäne 15 und LDTI insbesondere im Bereich der Bindungsschleife gefunden, weswegen eine regulatorische Funktion von LEKTI gegenüber Tryptase vermutet wird. Nachdem kein natürliches Material zur Verfügung stand, war es zur Gewinnung ausreichender Mengen rekombinanten Proteins, wie es für die Bestimmung der Struktur und der inhibitorischen Wirkung erforderlich ist, notwendig, ein geeignetes Expressions- und Reinigungssystem zu entwickeln. Obwohl es inzwischen einige Hinweise auf eine mögliche Prozessierung von LEKTI gibt, ist die natürliche Proteinsequenz der Domäne 15 noch nicht bekannt. Nach Vergleichen mit Kazalvertretern wurde ein 76 Aminosäuren großes Protein (dom15) hergestellt. Wie die strukturelle Charakterisierung ergab, ist dessen COOH-terminaler Abschnitt nicht strukturiert, weswegen eine COOH-terminal verkürzte Variante (dom15kurz) hergestellt wurde, die auch die Auflösung von Mehrdeutigkeiten bei NOE-Kreuzresonanzen erlaubte. Aus den homonuklearen und 15N-editierten NMR-Spektren wurden 887 (dom15kurz) bzw. 908 (dom15) experimentelle Randbedingungen gewonnen, die die Berechnung einer jeweils hochaufgelösten Struktur mit einem RMSD-Wert von 0,5 Å für die schweren Atome des Proteinrückgrats bzw. von 1,0 Å für alle schweren Atome ermöglichten. Beide Varianten zeigen ein typisches Kazal-Strukturmotiv bestehend aus einem dreisträngigen beta- Faltblatt, einer zentralen alpha-Helix und einer exponierten kanonischen Bindungsschleife. Die gegenüber klassischen Kazalvertretern zusätzlichen Reste zwischen den ersten beiden Cysteinen sind teilweise an der Ausbildung einer weiteren aminoterminalen kurzen Helix und einem hairpin-ähnlichen Motiv beteiligt und so angeordnet, dass der klassische Kazal-Faltungstyp nicht gestört wird. Sowohl die kurze als auch die lange Domäne 15-Variante zeigt eine starke und nicht-temporäre kompetitive Inhibierung von Trypsin und Plasmin bei Werten für die Inhibitionskonstanten im einstelligen nM-Bereich, jedoch keine inhibitorische Wirkung gegenüber Tryptase. Aufgrund des identischen Verhaltens dieser beiden Domäne 15-Varianten gegenüber verschiedenen getesteten Proteinasen ist anzunehmen, dass der COOH-Terminus keinen Einfluss auf die inhibitorische Wirkung der LEKTI-Domäne 15 hat. Außerdem wurde in Anlehnung an LDTI eine Variante der Domäne 15 mit nur einer Aminosäure zwischen den ersten beiden Cysteinen (dom15ldti) hergestellt. Nach oxidativer Rückfaltung zeigte dom15ldti ebenfalls eine starke inhibitorische Wirkung gegenüber Trypsin und Plasmin, wie sie auch für dom15 und dom15kurz beobachtet wurde. Dies deutet auf eine starre Bindungsschleife und ein hoch stabilisiertes Proteingerüst hin. Daher wurde ein Strukturmodell für dom15ldti auf Basis der experimentell bestimmten Struktur von dom15kurz erstellt. Reoxidiertes dom15ldti zeigte eine Inhibierung von Chymotrypsin, Elastase und Subtilisin, während dies weder für dom15 noch für dom15kurz beobachtet wurde. Dies lässt darauf schließen, dass der Bereich zwischen den ersten beiden Cysteinen einen Einfluss darauf hat, welche Proteinase inhibiert wird. Aus Überlagerungen der Strukturen von dom15kurz und der Modellstruktur von dom15ldti mit verschiedenen Proteinase-Inhibitor-Komplexstrukturen kann eine sterische Hinderung als mögliche Ursache für das unterschiedliche inhibitorische Verhalten gegenüber verschiedenen Proteinasen abgeleitet werden. Diese Erkenntnis stellt eine mögliche Grundlage für gezielte Veränderungen einer inhibitorischen Selektivität dar. Außerdem erleichtert die Kenntnis der dreidimensionalen Struktur der LEKTI-Domäne 15 die Suche nach der immer noch unbekannten Zielproteinase.

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