UFZ-Newsletter Mai 2015

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ UFZ-Newsletter | Mai 2015 3 einig. aber um ein verlässliches technologi- sches Verfahren zu entwickeln, wissen die Forscher bislang viel zu wenig über deren Vorkommen und Lebensweise. Ein Blick auf das, was zwischen den Mikroorganismen, ja sogar was in deren Zellen passiert, ist des- halb ein erster, aber entscheidender Schritt auf dem Weg zur Technologie. Neue Technologieplattform proViS Technisch lösen lässt sich dieser mikroskopi- sche Einblick in die Zellen und ihre räumli- che anordnung in Gemeinschaften nun künf- tig durch zahlreiche Hightech-Geräte, die am UFZ ihren Platz gefunden haben: Sächsi- sches Zentrum zur Visualisierung bioche- mischer Prozesse auf zellulärer Ebene, kurz ProViS, heißt das neue Kompetenzzentrum, das die chemische analytik von biologischen Objekten, Strukturen und Oberflächen im Nanobereich erleichtern soll. am 6. Mai wird es offiziell eröffnet. „Diese Kombination an Großgeräten ist weltweit einzigartig“, freut sich Dr. Hans-Hermann Richnow. Der 58-Jährige leitet am UFZ das Department isotopenbiogeochemie, ist der geistige Vater von ProViS und nun dafür verantwortlich, die Technologieplattform zum Laufen zu bringen. Rund zwölf Millionen Euro hat Richnow aus Mitteln des Europäischen Strukturfonds für regionale Entwicklung (EFRE), des Freistaa- tes Sachsen, des Landes Sachsen-anhalt und des Bundes für ProViS in mehreren Projektanträgen eingeworben. als Herzstück der Technologieplattform gilt die 3,2 Millionen Euro teure NanoSiMS – ein Sekundärionen-Massenspektrometer, das bundesweit bislang neben dem UFZ nur noch drei andere Forschungseinrichtungen ihr Eigen nennen können – dort jeweils mit anderem inhaltlichen Fokus. Das UFZ-Gerät wird vornehmlich im Bereich der terres- trischen Umweltforschung arbeiten. Es zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass es vollständig remotefähig ist, also aus der Ferne steuerbar. „So können wir gemein- sam mit Kollegen anderer institute rund um den Globus online Proben vermessen und dabei spezifische aufgaben diskutieren“, schwärmt Hans-Hermann Richnow. Bei der NanoSiMS schießt ein feiner ionenstrahl auf eine Probe und lässt diese in unmit- telbarer Nähe des Strahls ionisieren. Die so entstehenden Sekundärionen werden im elektrischen Feld extrahiert, beschleu- nigt und in einem Massenspektrometer analysiert. Elemente und isotope können genau quantifiziert werden. Die NanoSiMS hat eine so hohe räumliche auflösung und Empfindlichkeit, dass sich die isotopen- und Elementverteilung an der Oberfläche und chemische Veränderungen in der Zelle gut nachweisen lassen. Etwa, um den metaboli- schen Fluss von Kohlenstoff oder Stickstoff aus Chemikalien in der Zellbiosynthese sichtbar zu machen. Oder um den aus- tausch von Substanzen zwischen zwei Zellen zu quantifizieren und so beispielsweise Symbiosen in ihrer räumlichen Dimension zu erfassen. Ergänzt wird die NanoSiMS durch die ToF-SiMS, ein weiteres Großgerät zur Sekundärionen-Massenspektrometrie. Diese liefert den Wissenschaftlern sehr gute und detaillierte informationen zur räumlichen anordnung molekularer Bausteine in Zellen. Die sind wichtig, etwa um Bindungen von Chemikalien an Organellen tierischer oder pflanzlicher Zellen zu visualisieren und Rück- schlüsse darauf zu ziehen, wie Chemikalien von Zellen aufgenommen werden oder wie toxisch sie sind. einzigartige kombination an Großgeräten Die beiden Massenspektrometer werden den Forschern einzigartige Einblicke in Struktur, Funktion und aktivitäten von Mikroorganis- mengemeinschaften auf zellulärer Ebene ermöglichen. im Theisenschlamm etwa, dem Restprodukt aus dem Kupferschieferbergbau, sind die Metalle häufig an sulfidische Mine- ralien gebunden. Sie sollen durch Mikroorga- nismen gelöst werden. Weil dabei Sulfid zu Sulfat oxidiert, tritt eine Versauerung ein – und weil die wertvollen Spurenelemente in saurem Milieu löslich sind, können sie so freigesetzt und eingesammelt werden. Doch welche Mikroorganismen sind an dem Pro- zess beteiligt? Welche Funktionen überneh- men sie? Wie sind sie räumlich im Biofilm angeordnet? Wie greifen die Organismen die Sulfidminerale an? Welche Sekundärmi- neralien entstehen, die den Prozess fördern oder stören? Welche optimalen Bedingun- gen braucht ein Biofilm? „auf diese Fragen finden wir mit herkömmlichen Mikroskopen auf zellulärer Ebene keine zufriedenstellen- den antworten“, sagt Richnow. Diese erhofft er sich vor allem von Nano- und ToF-SiMS, da die beiden analysegeräte Metalle und Elemente in sehr geringen Konzentrationen in wenigen atomlagen starken Oberflächen nachweisen können. Möglich werden damit dreidimensionale Bilder der Zusammen- setzung von Elementen und isotopen einer Probe. Die laterale auflösung beträgt bis zu 50 Nanometer und die auflösung in der Tiefe nur wenige Nanometer. Doch selbst Nano- und ToF-SiMS liefern nicht auf alle Fragen befriedigende antwor- ten. in ProViS sind deshalb eine ganze Reihe Rückstände der Erzaufbereitung in der Halde David- schacht bei Freiberg. Interessant ist die hier durch Bildung von orangefarbenen Eisenhydroxiden deutlich sichtbare Verwitterungszone. (Foto: Dr. Birgit Daus, UFZ) Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ UFZ-Newsletter | Mai 20153

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