Ökothermodynamik / Biokalorimetrie

Arbeitsgruppe Ökothermodynamik / Biokalorimetrie
Hassan Al-Fathi, Kurt-Tobias Mühler, Claudia Heber, Kristina Vogel, Monique Reichard, Christian Fricke, Anika Krämer, Thomas Maskow, Thore Rohwerder, Sven Paufler (von links nach rechts; ohne Hieu Linh Duong)

Forschungsthemen

Die Thermodynamik wurde als eine systemorientierte naturwissenschaftlich fundierte Methode entwickelt, um Zustände und Prozesse vor allem in komplexen Systemen quantitativ beschreiben zu können. Durch sie bietet sich die Möglichkeit in ökologischen oder biochemischen Netzwerken, kinetische und stöchiometrische Ansätze, Erfahrungen und Intuition mit fundierten Daten über die thermodynamischen Zusammenhänge zu ergänzen, um so zu neuen Erkenntnissen und Prozessoptimierungen zu gelangen. Trotz dieses Potenzials wird die Biothermodynamik in der ökologischen oder auch biotechnologischen Forschung bisher eher selten angewandt.

Aus diesem Grund hat sich unserer Gruppe der Anwendung, Entwicklung und Validierung thermodynamischer Regeln in der Ökologie und Biotechnologie mit folgenden Zielen verschrieben:

  • Besseres Prozessverständnis in komplexen Ökosystemen und in metabolischen Netzwerken (Biothermodynamik),
  • Optimierungsansätze für Photobiosynthesen und die Energiegewinnung mittels mikrobieller Brennstoffzellen,
  • Entwicklung ultra-sensitiver Sensoren (z.B. Biokalorimetrie und Impedanzspektroskopie), und
  • Entwicklung neuartiger Bioprozesssteuerstrategien.
  • Besseres Verständnis der biologischen Wirkungen von Nanomaterialien

Wissenschaftler         Doktoranden und BA Studenten

Dr. Thore Rohwerder          Kristina Vogel              Anika Krämer

Prof. Hassan Al-Fathi          Hieu Linh Duong

                                           Christian Fricke

                      

Techniker/-innen

Sven Paufler (Stellvertreter)

Claudia Heber (Laborleiter)

Tobias Mühler (Laborant)

Monique Reichard (AZUBI)


Methoden

- Fermentations-/Reaktionskalorimetrie    - Mikrokalorimetrie
- Chipkalorimetrie                                     - ITC & DSC
- Verbrennungskalorimetrie                      - Hochleistungsrespirometrie
- Impedanzspektroskopie                         - Fermentationen
- Thermokinetische Modellierungen

Ausgewählte Kooperationen / Projekte

Glycolyse: Thermodynamik und Vorhersage von Stoffwechselwegen.

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): Kooperationsprojekt mit der Uni Rostock und der TU Dortmund

Development of calorimetry as real time instrument to analyze and control complex environmental bioprocesses (DOCUMENT)

Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD): Project Based Personnel Exchange Programme (PPP) mit der Universität für Geowissenschaften Wuhan, China

Analyse und Regelung von Bioprozessen in natürlichen und technischen Systemen mit Chip-Kalorimetern

Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" (AiF): Kooperationsprojekt mit TU Freiberg, RWTH Aachen und 7 mittelständischen Biotechnologie-Unternehmen)

Biothermodynamische Charakterisierung und Analyse der Steuerungsmöglichkeiten des mikrobiellen Aufwuchsverhaltens mit neuartigen miniaturisierten Chip-Kalorimetern

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): Kooperationsprojekt mit der TU Freiberg

Global Climate Changes Influence CO2-Fixation by Phytoplankton Photosynthesis - a Biothermodynamic Analysis

Helmholtzgemeinschaft, HIGRADE Stipendium: Kooperationsprojekt mit Prof. Wilhelm Universität Leipzig


10 ausgewählte Publikationen der letzten vier Jahre

Xu, J., He, H., Wang, Y.-Y., Yan, R., Zhou, L.-J., Jiang, F.-L., Maskow, T., Liu, Y. (2018) New Aspects of the Environmental Risks of Quantum Dots: Prophage Activation. Environmental Science: Nano 5(7): 1556-1566

Russel, M., Marios, S., JiaJia, S., Xu, W., Xiao, L., Maskow, T., Alam, M.M., Georgiou, J. (2018) High-Frequency, dielectric spectroscopy for the detection of electrophysiological/biophysical differences in different bacteria types and concentrations. Analytica Chimica Acta 1010: 86-95

Xu, J., Jiang, F.-J., Liu, Y., Kiesel, B., Maskow, T. (2018) An enhanced bioindicator for calorimetric monitoring of prophage-activating chemicals in the trace concentration range. Engineering in Life Sciences 18: 475-483

Xu, J., Kiesel, B., Kallies, R., Jiang, F.-L., Liu, Y., Maskow, T. (2018) A fast and reliable method for monitoring of prophage-activating chemicals. Microbial Biotechnology DOI 10.1111/1751-7915.13042

Zhou Z-Q, Yang L-Y, Yan R., Zhao J, Liu Y-Q, Lai L, Jiang F-L, Maskow T, Liu Y (2017) Mn-doped ZnSe quantum dots initiated mild and rapid cation exchange for tailoring composition and optical properties of colloid nanocrystals: novel template, new applications. Nanoscale 9(8): 2824-2835

Altwasser V, Pätz R.R., Lemke T, Paufler S, Maskow T (2017) A simple Method for the Measurement of Metabolic Heat Production Rates during Solid-State Fermentations Using β-Carotene Production with Blakeslea trispora as a Model System. Engineering in Life Sciences 17: 620-628

Korth B, Maskow T, Picioreanu C, Harnisch F (2016) The microbial electrochemical Peltier heat: an energetic burden and engineering chance for primary microbial electrochemical technologies. Energy & Environmental Science 9: 2539-2544  (IF = 25.4)

Rohde M-T, Paufler S, Harms H, Maskow T (2016) Calorespirometric Feeding Control Enhances Bioproduction from Toxic Feedstocks – Demonstration for Biopolymer Production out of Methanol. Biotechnology and Bioengineering 113(10): 2113-2121

Maskow T, Paufler S (2015) What does calorimetry and thermodynamics of living cells tell us? Methods 76: 3-10

Przybylski D, Rohwerder T, Dilßner C, Maskow T, Harms H, Müller RH (2014) Exploiting mixtures of H2, CO2 and O2 for improved production of methacrylate precursor 2-hydroxyisobutyric acid by engineered Cupriavidus necator strains. Applied Microbiology and Biotechnology 99:2131-214