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Mechanistic Microscale Approach to the Microbial Degradation of Oil-Droplets in Subsea Crude Oil Releases

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Wie Mikroorganismen Öltropfen im Meer abbauen

Ein Team aus Forscherinnen und Forschern aus der EU und den Vereinigten Staaten hat untersucht, was im Mikrobereich mit Rohölteppichen passiert, die die Ozeane verschmutzen.

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Obwohl das Schicksal von Rohöl in aquatischen Ökosystemen mehrere Jahrzehnte lang umfangreich untersucht wurde, wurden das Auftreten und die Bedeutung von entsprechenden Tropfenansammlungen unter Wasser erst nach der Ölpest im Golf von Mexiko im Jahre 2010 erkannt. Zurzeit gibt es keine lokale Behandlung, die sich nach den Eigenschaften der Öltropfen in Schadstofffahnen unter Wasser richtet. Das EU-finanzierte Projekt OILY MICROCOSM wollte diese Wissenslücke schließen. Dazu wurden die grundlegenden Mechanismen im Mikrobereich untersucht, die den biologischen Abbau von Rohöltropfen durch Meeresmikroben regulieren. „Möglich wurde dies durch eine kreative Kombination aus Mikrofluidik, zukunftsweisender bildgebender Verfahren und rechnergestützter Modellierung“, erklärt Projektkoordinator Nicolas Kalogerakis. MSC-Stipendiat George Kapellos arbeitete mit dem Massachusetts Institute of Technology in den Vereinigten Staaten (dem Labor von Prof. Patrick Doyle) zusammen, wo er anhand mehrerer Mikroherstellungstechnologien wie Lithografie und 3D-Druck neue mikrofluidische Vorrichtungen entwickelte. Mit diesen Vorrichtungen können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter dem Mikroskop beobachten, wie die Öltropfen über einen Zeitraum von mehreren Wochen mit den Meeresmikroben interagieren.

Die Rolle der Mikroorganismen

Mithilfe zukunftsweisender Bildgebungsverfahren wie Mehrsonden-Fluoreszenz und Konfokalmikroskopie untersuchten die Projektpartner die Morphologie von biofilmbeschichteten Kohlenwasserstofftropfen und stellten eine neue Hypothese zu den Mechanismen auf, die für ihre Entstehung verantwortlich sind. „Der biofilmbeschichtete Öltropfen wächst, wenn sich hochaktive Mikroben in der Nähe der Öl-Biofilm-Schnittstelle ansammeln. Wenn sie sich vermehren und Biopolymere abscheiden, drängen sie die umliegende Biomasse nach außen“, so Kalogerakis. Die Forschenden beobachteten dieses Phänomen zum ersten Mal, als ein schrumpfender Öltropfen durch die Kohlenwasserstoff abbauenden Mikroben konsumiert wurde. „Wir stellten fest, dass bestimme Meeresmikroben die Oberfläche von Kohlenwasserstofftropfen unter bestimmten Bedingungen besiedeln und dicke, faltige Biofilme bilden können“, berichtet er. Zu ihrer Überraschung entdeckte die Forschungsgruppe, dass mikrobielle Biofilme sogar große Tropfen im Millimeterbereich umhüllen könnten. Darüber wurde bisher weder in Bezug auf natürliche noch auf künstliche Systeme jemals berichtet. Nun möchte das OILY MICROCOSM-Team herausfinden, ob diese riesigen biofilmbeschichteten Tropfen nach einer Ölkatastrophe im natürlichen Meereswasser auftreten.

Antworten aus Modellen

Darüber hinaus entwickelte das Projektteam ein neues mathematisches Modell, mit dem sich die biologische Abbaurate und Verweildauer der Öl-Mikrotröpfchen in einer Wassersäule vorhersagen lassen. Das Modell berücksichtigt die Auswirkungen der Driftgeschwindigkeit, der mikrobiellen Kinetik und der Verfügbarkeit von Sauerstoff, wichtiger Mineralien und verschiedener Ölkomponenten. „Wir haben festgestellt, dass ein Mangel an Sauerstoff oder anderen Nährstoffen aus dem Wasser, wie Stickstoff oder Phosphor, die biologische Abbaurate der Tropfen begrenzt. Das liegt daran, dass hochaktive Mikroben von der öligen Oberfläche vertrieben werden“, betont Kalogerakis. Das mathematische Modell ist auch ein nützliches Werkzeug für die Entscheidungsfindung. So sollten Emulgatoren zum Auflösen von Ölteppichen zum Beispiel nicht in „toten Zonen“ mit einem sehr geringen Sauerstoffgehalt verwendet werden. OILY MICROCOSM hat auch den Weg bereitet, damit wir den biologischen Abbau von Kohlenwasserstoff bei einzelnen Tropfen besser nachvollziehen können. Es hat einen wichtigen Beitrag zur Analyse von Daten aus Experimenten bei sehr hohem Druck (> 250 bar) geleistet, die eine mögliche Freisetzung von Kohlenwasserstoff in der Tiefsee im östlichen Mittelmeer simulieren. Daher wird die Projektarbeit mitsamt ihrer Ergebnisse zu unserem Verständnis vom biologischen Abbau von Öl beitragen und künftige Forschungen, wichtige Basistechnologien und Werkzeuge zur Entscheidungsfindung vorantreiben, damit die Auswirkungen von Ölkatastrophen im Meer vermindert werden können. Unterstützt wurde das Forschungsvorhaben im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen.

Schlüsselbegriffe

OILY MICROCOSM, biologischer Abbau, Ölkatastrophe, Rohöl, Meeresmikroben, Mikrofluidik, mathematisches Modell, Tropfenansammlung, Biopolymer, Mikrotröpfchen

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