Biogene Verwitterungs-Mikroumgebung auf der Mineraloberfläche: Knufia petricola und seine polymere Matrix (hier Carotinoidmutante Δphd1 auf Olivin).
Quelle: BAM
Gesteinsbewohnende Pilze besiedeln seit Millionen von Jahren Felsen und verrichten wichtige Aufgaben auf diesen Oberflächen: durch Mineralverwitterung werden wichtige Nährstoffe herausgelöst. Biologisch verstärkte Mineralverwitterung (z.B. von Olivin) findet besonders effektiv statt, wenn Biofilme an den Mineraloberflächen haften.
Das Wirkprinzip der gesteinsangreifenden schwarzen Pilze ist bekannt, aber die Entschlüsselung der besonders wichtigen und aktiven „Verwitterungsstoffe“ steht noch aus. Wie findet man heraus, welche Substanzen besonders wichtig sind? Dazu wurden ein analytischer Ansatz und im Labor genetisch manipulierbare Organismen zusammengeführt.
Man nehme: einen Pilz, der an Gesteinen und anderen luftexponierten festen Materialien gut anhaftet, z.B. indem er extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) produziert. Man erzeuge mehrere genetische Varianten davon. Diese Pilzmutanten, denen einige Stoffwechselprodukte fehlen, werden als Biofilme an der Luft gezüchtet. Die für den Kontakt mit dem Mineral verantwortlichen EPS werden extrahiert, quantifiziert und charakterisiert.
Das Fehlen des Schutzpigments Melanin wirkte sich auf die Menge und die Zusammensetzung der produzierten EPS aus: Mutanten ohne Melanin synthetisierten mehr EPS mit weniger Pullulan-verwandten glykosidischen Bindungen. Pullulan-verwandte Bindungen sind für ihre Adhäsionsfunktionalität bekannt. Durch ihr Fehlen wird die Anheftung der Pilze am Mineral und die Verwitterung gemindert. Stämme, die Melanin produzieren, haften stärker am Mineral Olivin und lösen es dabei auch mit höherer Geschwindigkeit auf. Die Mineralauflösung wird außerdem durch die Freisetzung von eisenbindenden Metaboliten verstärkt, wodurch die lösungshemmende Wirkung von Eisenoxiden unterdrückt wird.
Der genetisch unterstützte analytische Ansatz von Breitenbach et al. lässt sich breit anwenden. Die durch den Biofilm geschaffene Mikroumgebung ist nicht nur für Gesteine relevant, sondern auch für viele energiebezogene Zusammenhänge der mikrobiell beeinflussten Korrosion.
The role of extracellular polymeric substances of fungal biofilms in mineral attachment and weathering
Romy Breitenbach, Ruben Gerrits, Polina Dementyeva, Nicole Knabe, Julia Schumacher, Ines Feldmann, Jörg Radnik, Masahiro Ryo & Anna A. Gorbushina
erschienen in npj Materials Degradation Band 6, Aufsatznummer 42, 2022
BAM Abteilung Material und Umwelt
BAM Fachbereich Materialien und Luftschadstoffe
BAM Fachbereich Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie