Der Nachweis von Fäkalindikatorbakterien (wie z. B. E. coli oder intestinale Enterokokken) gibt zwar einen Hinweis auf eine fäkale Belastung im Gewässer, erlaubt jedoch keinen Rückschluss auf den Ursprung. Im Rahmen dieser Dissertation wurden verschiedene Methoden zur Identifizierung von fäkalen Eintragsquellen (Microbial Soruce Tracking, MST) geprüft. Hierzu zählen Kultur-basierte Verfahren, wie der Nachweis von Toxingenen in E. coli-Isolaten, und Kultur-unabhängige Methoden wie die Denaturierende-Gradienten-Gelelektrophorese oder der Nachweis von DNA-Abschnitten, die spezifisch für menschlichen oder tierischen Kot sind. Die Untersuchung von E. coli-Isolaten aus der aquatischen Umwelt auf Toxingene erwies sich in Hinblick auf die Identifizierung von fäkalen Eintragsquellen als nicht zielführend. Problematisch war neben dem hohen Zeitaufwand vor allem das seltene Vorkommen dieser Virulenzfaktoren im untersuchten Gewässer. Enteropathogene E. coli-Bakterien werden nur von infizierten Wirten abgegeben, daher ist der Nachweis der Virulenzgene in Gewässern stark eingeschränkt. Im nächsten Schritt wurden Datenbank-unabhängige Verfahren für die Untersuchungen im Einzugsgebietsmaßstab etabliert. Methoden zur spezifischen Detektion von fäkalen Einträgen durch Menschen, Rinder (Wiederkäuer), Schweine, Hunde, Schafe, Hühner und Pferde standen anschließend für die Identifizierung von fäkalen Einträgen in verschiedenen Einzugsgebieten zur Verfügung. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass mit den etablierten MST-Verfahren sehr empfindliche und spezifische Werkzeuge für die Identifizierung von fäkalen Einträgen im Einzugsgebietsmaßstab zur Verfügung stehen. Durch die Untersuchung von Wasserproben auf das Vorkommen von MST-Markern konnten Aussagen über Auftreten und Stärke fäkaler Belastungen in städtisch und ländlich geprägten Einzugsgebieten gemacht werden. Kontaminationsquellen wurden identifiziert und Vorschläge für gezielte Management¬maßnahmen im Einzugsgebiet abgeleitet. Des Weiteren wurde die MST-Verfahren erfolgreich dazu genutzt Erkenntnisse über den Ursprung von Antibiotikaresistenzgenen im Tai-See (China) zu gewinnen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die MST-Methoden basierend auf wirtsspezifischen Markern für den Einsatz in der Praxis geeignet sind. Zusammen mit der Betrachtung der örtlichen Gegebenheiten ist MST ein hilfreiches und kostengünstiges Werkzeug bei der Ursachen-forschung und der Ermittlung der Herkunft fäkaler Belastungen in der aquatischen Umwelt. Damit trägt es wesentlich zu einer zielorientierten Bewirtschaftung des Gewässers bei.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS FORMELVERZEICHNIS 1. HINTERGRUND 1.1 INDIKATORORGANISMEN 1.2 SOURCE TRACKING-METHODEN 1.2.1 Datenbank-abhängige Methoden 1.2.2 Datenbank-unabhängige Methoden 1.2.3 Source Tracking mit chemischen Substanzen 1.3 ANTIBIOTIKARESISTENZEN IN DER UMWELT 2. ZIELSETZUNG DER ARBEIT 3. MATERIAL UND METHODEN 3.1 MONITORING MIKROBIOLOGISCHER PARAMETER – KULTURVERFAHREN 3.1.1 Coliforme Bakterien und Escherichia coli 3.1.2 Enterokokken 3.1.3 Clostridium perfringens-Sporen 3.2 MOLEKULARBIOLOGISCHE ANALYTIK 3.2.1 PCR-Untersuchung von E. coli-Isolaten auf Virulenzgene 3.2.2 Molekularbiologische Untersuchung von Wasserproben 3.3 UNTERSUCHUNGEN ZUR ERFASSUNG DER CHARAKTERISTIKA DER KULTUR-UNABHÄNGIGEN MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN 3.3.1 Nachweisempfindlichkeit 3.3.2 Spezifität und Sensitivität 3.3.3 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen 3.3.4 Untersuchungen zur Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern 3.4 STATISTISCHE AUSWERTUNG 4. BESCHREIBUNG DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 4.1 RHEIN 4.2 GALLUSQUELLE 4.3 EINZUGSGEBIETE DER BERLINER WASSERBETRIEBE 4.3.1 Wasserwerk Tiefwerder 4.3.2 Wasserwerk Kaulsdorf 4.4 EINZUGSGEBIETE DER WSW ENERGIE & WASSER AG 4.4.1 Talsperre Herbringhausen 4.4.2 Talsperre Kerspe 4.5 TAI-SEE 4.6 VERGLEICH DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 61 5. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 63 5.1 NACHWEIS VON VIRULENZGENEN ALS MICROBIAL SOURCE TRACKING-WERKZEUG 5.2 DATENBANK-UNABHÄNGIGE UND KULTUR-UNABHÄNGIGE MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN 5.2.1 Etablierung Datenbank-unabhängiger und Kultur-unabhängiger Microbial Source Tracking-Verfahren 5.2.2 Nachweisempfindlichkeit 5.2.3 Spezifität und Sensitivität der Marker 5.2.4 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen 5.2.5 Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern 5.3 UNTERSUCHUNG IM EINZUGSGEBIETSMAßSTAB 5.3.1 Gallusquelle 5.3.2 Wasserwerke Tiefwerder und Kaulsdorf 5.3.3 Talsperren Herbringhausen und Kerspe 5.4 EINSATZ VON MICROBIAL SOURCE TRACKING-METHODEN ZUR IDENTIFIZIERUNG DER HERKUNFT VON ANTIBIOTIKARESISTENZEN 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 7. EIGENE VERÖFFENTLICHUNGEN 8. FINANZIELLE FÖRDERUNG 9. LITERATURVERZEICHNIS 10. ANHANG / Although evidence of fecal indicator bacteria (such as E. coli or intestinal enterococci) indicates fecal contamination in the aquatic environment, it does not allow any conclusion regarding the origin of the pollution. With the use of so-called microbial source tracking methods it is possible to trace the origin of such contaminations. In this dissertation, various microbial source tracking methods were tested. These include culture-based methods such as the detection of toxin genes in E. coli isolates, and culture-independent methods such as denaturing gradient gel electrophoresis or the detection of defined DNA sections specific for human or animal feces using quantitative real-time PCR. Analysis of E. coli isolates from the aquatic environment on toxin genes proved to be ineffective in identifying fecal sources of input. In addition to the high effort of time, the problem was the rare occurrence of these virulence factors in the examined water. Enteropathogenic E. coli bacteria carry virulence genes which are only released from infected hosts. Therefore, the detection of virulence genes in weakly to moderately contaminated waters is severely limited. In the next step, culture-independent PCR procedures were established. Afterwards, methods for the specific detection of fecal entries by humans, cattle (ruminants), pigs, dogs, sheep, chickens and horses were available for the identification of fecal entries in various catchment areas. The results of these investigations show that established MST methods provide very sensitive and specific tools for the identification of fecal entries at the catchment scale. Investigation using culture-independent methods provided information on the origin and severity of fecal pollutions in urban and rural catchment areas. Origins of contaminations were identified and concrete recommendations for management action plans in the catchment area were derived. Overall, the results show the potential and the suitability for practical application of molecular biological microbial source tracking methods. Furthermore, the MST methods have been successfully used to gain knowledge about the origin of antibiotic resistance genes in Tai Lake (China). The results of this thesis show that MST methods based on host-specific markers are suitable for practical use. Together with the consideration of local conditions, MST is a helpful and cost-effective tool for causal research and the determination of the origin of fecal contamination in the aquatic environment. Thus it contributes significantly to a goal-oriented management of the water body.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS FORMELVERZEICHNIS 1. HINTERGRUND 1.1 INDIKATORORGANISMEN 1.2 SOURCE TRACKING-METHODEN 1.2.1 Datenbank-abhängige Methoden 1.2.2 Datenbank-unabhängige Methoden 1.2.3 Source Tracking mit chemischen Substanzen 1.3 ANTIBIOTIKARESISTENZEN IN DER UMWELT 2. ZIELSETZUNG DER ARBEIT 3. MATERIAL UND METHODEN 3.1 MONITORING MIKROBIOLOGISCHER PARAMETER – KULTURVERFAHREN 3.1.1 Coliforme Bakterien und Escherichia coli 3.1.2 Enterokokken 3.1.3 Clostridium perfringens-Sporen 3.2 MOLEKULARBIOLOGISCHE ANALYTIK 3.2.1 PCR-Untersuchung von E. coli-Isolaten auf Virulenzgene 3.2.2 Molekularbiologische Untersuchung von Wasserproben 3.3 UNTERSUCHUNGEN ZUR ERFASSUNG DER CHARAKTERISTIKA DER KULTUR-UNABHÄNGIGEN MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN 3.3.1 Nachweisempfindlichkeit 3.3.2 Spezifität und Sensitivität 3.3.3 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen 3.3.4 Untersuchungen zur Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern 3.4 STATISTISCHE AUSWERTUNG 4. BESCHREIBUNG DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 4.1 RHEIN 4.2 GALLUSQUELLE 4.3 EINZUGSGEBIETE DER BERLINER WASSERBETRIEBE 4.3.1 Wasserwerk Tiefwerder 4.3.2 Wasserwerk Kaulsdorf 4.4 EINZUGSGEBIETE DER WSW ENERGIE & WASSER AG 4.4.1 Talsperre Herbringhausen 4.4.2 Talsperre Kerspe 4.5 TAI-SEE 4.6 VERGLEICH DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 61 5. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 63 5.1 NACHWEIS VON VIRULENZGENEN ALS MICROBIAL SOURCE TRACKING-WERKZEUG 5.2 DATENBANK-UNABHÄNGIGE UND KULTUR-UNABHÄNGIGE MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN 5.2.1 Etablierung Datenbank-unabhängiger und Kultur-unabhängiger Microbial Source Tracking-Verfahren 5.2.2 Nachweisempfindlichkeit 5.2.3 Spezifität und Sensitivität der Marker 5.2.4 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen 5.2.5 Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern 5.3 UNTERSUCHUNG IM EINZUGSGEBIETSMAßSTAB 5.3.1 Gallusquelle 5.3.2 Wasserwerke Tiefwerder und Kaulsdorf 5.3.3 Talsperren Herbringhausen und Kerspe 5.4 EINSATZ VON MICROBIAL SOURCE TRACKING-METHODEN ZUR IDENTIFIZIERUNG DER HERKUNFT VON ANTIBIOTIKARESISTENZEN 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 7. EIGENE VERÖFFENTLICHUNGEN 8. FINANZIELLE FÖRDERUNG 9. LITERATURVERZEICHNIS 10. ANHANG

1. Microbial ecology According to Caumette et al. (2015) the term ecology is derived from the Greek words “oikos” (the house and its operation) and “logos” (the word, knowledge or discourse) and can, therefore, be defined as the scientific field engaged in the “knowledge of the laws governing the house”. This, in extension, results in the simple conclusion that microbial ecology represents the study of the relationship between microorganisms, their co-occurring biota and the prevailing environmental conditions (Caumette et al. 2015). The term microbial ecology has been in use since the early 1960s (Caumette et al. 2015) and microbial ecologists have made astonishing discoveries since. Microbial life at extremes such as in the hydrothermal vents (see Dubilier et al. 2008 and references therein) or the abundance of picophytoplankton (Waterbury et al. 1979; Chisholm et al. 1988) in the deep and surface waters of the oceans, respectively, are only a few of many highlights. Nevertheless, a microbial ecologist who, after leaving the field early in their career, now intends to return would hardly recognise again their former scientific field. The main reason for this hypothesis is to be found in the advances made to the methodologies employed in the field. Most of these were developed for biomedical research and were subsequently hijacked, sometimes followed by minor modifications, by microbial ecologists. The Author presents in this thesis scientific findings which, although spanning only a fraction of the era of research into microbial ecology, have been obtained using various modern tools of the trade. These studies were undertaken by the Author during his employment as postdoctoral scientist at Warwick University (UK), as member of staff at Plymouth Marine Laboratory (UK) and as scientist at the TU Bergakademie Freiberg. Although the scientific issues and the environmental habitats investigated by the Author changed due to funding constraints or due to change of work place (i.e. from the marine to the mining environment) the research shared, by and large, a common aim: to further the existing understanding of microbial communities. The methodological approach chosen to achieve this aim employed both isolation followed by the characterisation of microorganisms and culture independent techniques. Both of these strategies utilised again a variety of methods, but techniques in molecular biology represent a common theme. In particular, the polymerase chain reaction (PCR) formed the work horse for much of the research since it has been routinely used for the amplification of a marker gene for strain identification or analysis of the microbial diversity. To achieve this, the amplicons were either directly sequenced by the Sanger approach or analysed via the application of genetic fingerprint techniques or through Sanger sequencing of individual amplicons cloned into a heterologous host. However, the Author did not remain at idle while with these ‘classical’ approaches for the analysis of microbial communities, but utilised the advances made in the development of nucleotide sequence analysis. In particular, the highly parallelised sequencing techniques (e.g. 454 pyrosequencing, Illumina sequencing) offered the chance to obtain both high genetic resolution of the microbial diversity present in a sample and identification of many individuals through sequence comparison with appropriate sequence repositories. Moreover, these next generation sequencing (NGS) techniques also provided a cost-effective opportunity to extent the characterisation of microbial strains to non-clonal cultures and to even complex microbial assemblages (metagenomics). The work involving the high throughput sequencing techniques has been undertaken in collaboration with Dr Jack Gilbert (PML, lateron at Argonne National Laboratory, USA) and, since at Freiberg, with Dr Anja Poehlein (Goettingen University). These colleagues are thanked for their support with sequence data handling and analyses.

Microbial and chemical processes in the sediment of standing waters have a big influence on the release of nutrients and the trophic state. Due to the strong interactions between sediment and water body and the storage of materials sediments can be consulted as an important additional source of information for the evaluation of the trophic state and for the estimation of future trophic developments. Because of relatively small fluctuations the parameters in the sediment and pore water are well suitable for a trophic validation. Sediments and pore water of four reservoirs with different trophic characteristics were sampled in regular intervals (Neunzehnhain I - oligotrophic; Muldenberg - oligotrophic, dystrophic; Saidenbach - mesotroph; Quitzdorf - polytrophic). Many chemical and microbial parameters were examined regarding the trophic dependancy and the possibility for including these parameters into a trophic evaluation system. The concentrations of SRP, ammonium, and alkalinity in the pore water and the metal:phosphorus-quotient (Al:P, Fe:P) in the dry sediment showed the biggest trophic dependancy, so that these parameters are applicable for a sediment referred trophic assessment of standing waters. The polytrophic reservoir Quitzdorf has exhibited an extreme abundance of the cyanobacterium Microcystis for years. Investigations of the water body showed that apart from parameters like the water temperature the mass growth of Microcystis in the reservoir is obviously very strongly affected by the nitrogen:phosphorus-quotients in the water body. In laboratory experiments with sediments of this reservoir the phosphorus release from the sediment could be significantly lowered by the addition of aluminum and a part of the phosphorus could be shifted from the reductively soluble iron bound phosphorus fraction into the stable aluminum bound phosphorus fraction. / Die chemischen und mikrobiellen Prozesse im Sediment von Standgewässern haben großen Einfluss auf die Freisetzung von Nährstoffen und die Trophie. Aufgrund der starken Wechselwirkungen zwischen Sediment und Wasserkörper und der Speicherung von Stoffen in den Sedimenten können Gewässersedimente als wichtige zusätzliche Informationsquelle für die Bewertung des Trophiezustandes und zur Abschätzung zukünftiger trophischer Entwicklungen herangezogen werden. Durch relativ geringe Schwankungen sind die Parameter im Sediment und Porenwasser gut für eine Trophieeinschätzung geeignet. Die Sedimente und das Porenwasser von vier Talsperren mit unterschiedlichen trophischen Eigenschaften wurden in regelmäßigen Abständen beprobt (Neunzehnhain I ? oligotroph; Muldenberg ? oligotroph, dystroph; Saidenbach ? mesotroph; Quitzdorf ? polytroph). Es wurden viele chemische und mikrobielle Parameter im Sediment und Porenwasser im Hinblick auf die Trophieabhängigkeit und eine mögliche Einbeziehbarkeit in ein trophisches Bewertungssystem untersucht. Die größte trophische Abhängigkeit konnte bei den Konzentrationen von SRP, Ammonium, und Alkalinität im Porenwasser und den Metall:Phosphor-Quotienten (Al:P, Fe:P) im Trockensediment gefunden werden, sodass diese Parameter gut für eine sedimentbezogene Trophiebewertung von stehenden Gewässern geeignet sind. Die polytrophe Talsperre Quitzdorf weist seit Jahren ein extremes Massenwachstum des Cyanobakteriums Microcystis auf. Untersuchungen des Wasserkörpers haben gezeigt, dass das Microcystis-Massenaufkommen in der Talsperre neben Parametern wie der Wassertemperatur offensichtlich sehr stark von den Stickstoff:Phosphor-Quotienten im Wasserkörper beeinflusst wird. Laborversuche mit Sedimenten dieser Talsperre haben ergeben, dass die P-Freisetzung aus dem Sediment durch die Zugabe von Aluminium signifikant herabgesetzt werden und ein Teil des Phosphors von der reduktiv löslichen eisengebundenen P-Fraktion in die stabile aluminiumgebundene P-Fraktion verlagert werden konnte.

Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik in Waldböden unter dem Einfluß atmogener Stickstoffeinträge. Dabei wurden biotische und abiotische Schlüsselprozesse zweier unterschiedlich stark stickstoffbelasteter Waldböden des Nordwest- und Nordostdeutschen Tieflandes (Kreinitz und Thülsfeld) analysiert und miteinander verglichen. Um detaillierte Informationen über potentielle Kohlenstoff- und Stickstoffumsätze zu erhalten, wurden die untersuchten Böden sowohl horizont- als auch tiefenstufenbezogen stratifiziert. Über einen Zeitraum von 14 Wochen wurden sämtliche Kohlenstoff- und Stickstoffeinträge sowie -austräge zwischen den einzelnen Tiefenstufen beobachtet und analysiert. Nach Beendigung der Versuche wurden die einzelnen Bodenhorizonte mit spezifischen Kohlenstoff- und Stickstoffextraktionsverfahren aufgeschlossen. Mit Hilfe dieser Versuchsanordnung war es möglich, eine vollständige tiefenstufenbezogene Kohlenstoff- und Stickstoffbilanzierung für den Kreinitzer und Thülsfelder Boden zu erstellen. Zur Prüfung der Übertragbarkeit der Laborergebnisse auf aktuelle Standortbedingungen wurde ein Langzeitfeldversuch (ein Jahr) mit einer ähnlichen Versuchsanordnung am Standort Kreinitz durchgeführt. Folgende Ergebnisse wurden in dieser Arbeit erzielt: 1. Der TOC-Gehalt war der Hauptparameter, in dem sich der stark stickstoffbelastete Standort Thülsfeld von dem weniger stark stickstoffbelasteten Standort Kreinitz zu Beginn der Untersuchung deutlich unterschied. 2. Der KCl-extrahierbare mineralische Stickstoff (NminKCl) reagierte an beiden Versuchs-standorten am stärksten auf die Stickstoffdüngung und wurde mit Hilfe der Diskriminanzanalyse als Hauptsensitivitätsparameter für Stickstoffeinträge im Boden ermittelt. 3. Die Kreinitzer organische Auflage reagierte in bezug auf die mittelfristig umsetzbare Kohlenstoff- und Stickstofffraktion (Chwe, Nhwe) deutlich stärker auf die N-Einträge als die Thülsfelder Auflage. Infolgedessen besitzt die Kreinitzer Auflage ein höheres Kohlenstoff- und Stickstoffmobilisierungspotential, die hochkomplexen organischen C- und N-Verbindungen in weniger komplexe Verbindungen abzubauen. 4. Der Thülsfelder Mineralboden 5. besitzt aufgrund der höheren Anteile des Nhwe am TN ein höheres Mobilisierungspotential für den kurz- und mittelfristig umsetzbaren Stickstoff (Nhwe) als der Kreinitzer Mineralboden. 6. Die für die Mikroorganismen verfügbaren Kohlenstoffquellen scheinen sich durch die historischen und die zusätzlich simulierten Stickstoffeinträge vom POC in der Sand-Braunerde zum WSOC und CKCl im Sand-Podsol zu verschieben. 7. Als verfügbare Stickstoffquelle nutzen die Mikroorganismen am Standort Kreinitz den PN, während sich für den Standort Thülsfeld keine eindeutige Stickstofffraktion als Hauptnahrungsquelle ermitteln ließ. 8. Sowohl in den Laborversuchen als auch im Freilandversuch führten die Stickstoffeinträge zur Verengung nahezu aller C/N-Verhältnisse in den untersuchten Extraktionsverfahren.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung des Wachstumsverhaltens von Mikroorganismen auf Alkanen am Beispiel des Bodenbakteriums Rhodococcus opacus 1CP. Unter Einsatz kalorimetrischer Methoden konnte das Wachstumsverhalten von 1CP auf Glucose und Alkanen mit sehr guter Reproduzierbarkeit aufgezeichnet werden. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften wurden Änderungen der Wachstumskinetik registriert, welche auf die Aggregation der Zellkultur zurückgeführt werden konnten. Die kalorimetrischen Befunde zum Aggregationsverhalten wurden mittels Gaschromatographie und Partikelgrößenbestimmung bestätigt. Durch Biotensidquantifizierung in kalorimetrisch aufgezeichneten Kultivierungen von 1CP auf Alkanen konnte eine wachstumsassoziierte Biotensidbildung nachgewiesen werden. Elementaranalytische Untersuchungen ergaben eine Variation der Biomassezusammensetzung von 1CP in Abhängigkeit der C-Quelle. Unter Berücksichtigung von Biomasse- und Biotensidbildung wurden Summenreaktionen für die Wachstumsprozesse formuliert und durch Verifikation mit kalorimetrisch ermittelten Enthalpien des Substratumsatzes bestätigt.

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For the first time microbial tDNA could be isolated from 50 g unperturbed Mont Terri Opalinus Clay. Based on the analysis of the tDNA the bacterial diversity of the unperturbed clay is dominated by representatives of Firmicutes, Betaproteobacteria, and Bacteriodetes. Firmicutes also dominate after treatment of the clay with R2A medium. Bacteria isolated from Mont Terri Opalinus Clay on R2A medium were related to Sporomusa spp., Paenibacillus spp., and Clostridium spp.. All further investigations are concentrated on the unique isolates Sporomusa sp. MT-2 and Paenibacillus sp. MT-2. Cells of the type Sporomusa sp. MT-2 and Paenibacillus sp. MT-2 were comprehensively analyzed in terms of growing, morphology, functional groups of the cell envelope, and cell membrane structure. Strong actinide(An)/lanthanide(Ln)-interactions with the Opalinus Clay isolates and the Äspö-strain Pseudomonas fluorescens (CCUG 32456) could be determined within a broad pH range (2-8). The metals bind as a function of pH on protonated phosphoryl, carboxyl and deprotonated phosphoryl sites of the respective cell membrane. The thermodynamic surface complexation constants of bacterial An/Ln-species were determined and can be used in modeling programs. Depending on the used An different interaction mechanisms were found (U(VI): biosorption, partly biomineralisation; Cm(III): biosorption, indications for embedded Cm(III); Pu: biosorption, bioreduction and indications for embedded Pu). Different strategies of coping with U(VI) were observed comparing P. fluorescens planktonic cells and biofilms under the chosen experimental conditions. An enhanced capability of the biofilm to form meta-autunite in comparison to the planktonic cells was proven. Conclusively, the P. fluorescens biofilm is more efficient in U(VI) detoxification. In conclusion, Mont Terri Opalinus Clay contains bacterial communities, that may influence the speciation and hence the migration behavior of selected An/Ln under environmental conditions.

Beim Bergbau werden bestehende Ökosysteme in großem Maße beeinflusst. Im ehemaligen Uranbergwerk Königstein (Sachsen) wurde die Umwelt durch den Einsatz von chemischen Säuren zur Lösung des Urans aus dem Erz (Laugung) in Folge der Verschiebung des pH-Wertes zusätzlich belastet. Durch diesen Prozess entstand eine Umgebung, die einen niedrigen pH-Wert und hohe Konzentrationen an gelösten Schwermetall-Ionen aufweist. Die komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaft verschob sich daraufhin, indem sich bevorzugt säuretolerante und Schwermetall-tolerante Mikroorganismen durchsetzten. Diese Mikroorganismen wurden durch die Flutung der unter Tage Schächte im Jahr 2010 in ihrer Zusammensetzung erneut beeinflusst. In dieser Arbeit wurde die mikrobielle Biozönose nach Flutung der unter Tage Schächte des ehemaligen Uranbergwerkes Königstein charakterisiert und mit den Ergebnissen der mikrobiellen Diversität vor dem Flutungsprozess verglichen. Hierfür kam ein breites Spektrum an Methoden zum Einsatz, das klassische mikrobiologische Methoden und molekularbiologische Techniken umfasste. Die Analysen erfolgten dabei über mehrere Jahre hinweg, um die Variabilität der mikrobiellen Population im Grubenwasser planktonisch und im Biofilm zu erfassen.

Die Dicklegung der Milch, ausgehend von der hydrolytischen Spaltung des κ-Caseins, stellt den ersten essentiellen Schritt in der Käseherstellung dar. Dabei finden Gerinnungsenzyme verschiedener Herkunft Anwendung, deren neueste Varianten auf Grundlage des aktuellen Forschungsstandes umfassend charakterisiert werden. Verschiedene Kälberlabpräparate, mikrobielle Gerinnungsenzyme aus Rhizomucor miehei und mit Hilfe von gentechnisch modifizierten Mikroorganismen gewonnenes Chymosin (FPC) aus Rind und Kamel werden mittels HPLC und Elektrophorese hinsichtlich ihrer Zusammensetzung analysiert. Die neueste Generation mikrobieller Enzyme weist im Gegensatz zur herkömmlichen Variante keine Nebenkomponenten und damit einen höheren Aufreinigungsgrad auf. Die unspezifische proteolytische Aktivität wird durch fluorimetrische Quantifizierung der in 12 % TCA löslichen Stickstoffkomponenten bestimmt, die nach Inkubation rekonstituierter Magermilch bei 32 °C und pH 6,5 über 24 h mit den Enzymen freigesetzt werden. Mikrobielle Gerinnungsenzyme besitzen eine signifikant höhere unspezifische proteolytische Aktivität gegenüber chymosinbasierten Präparaten, deren Auswirkung sich bei Erhöhung der zugegebenen Enzymmenge besonders ausgeprägt darstellen. Oszillationsrheometrische Analysen lassen bei gleicher Enzymaktivität eine geringere Gelfestigkeit nach 40 min bei Einsatz von mikrobiellen Präparaten im Vergleich zu Kälberlab und bovinem FPC erkennen. Zusätzlich wird eine Abhängigkeit der Flockungszeit und der Gelfestigkeit vom eingesetzten Substrat beobachtet, die für Chymosin aus Kamel besonders stark ausgeprägt ist. Die Substratspezifität dieses Enzyms ist weder mit der des bovinen Chymosins noch mit der der mikrobiellen Gerinnungsenzyme identisch. Im Rahmen von Käsungsversuchen im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab wird eine signifikant höhere Käseausbeute (0,50 - 1,19 %) bei Verwendung vom traditionellem Kälberlab im Vergleich zur neuesten Generation der kommerziellen mikrobiellen Substitute ermittelt. Im Verlaufe der Reifung von Schnittkäse wird durch mikrobielles Gerinnungsenzym gegenüber Kälberlab eine signifikant höhere Menge an Nichtproteinstickstoff freigesetzt sowie ein unterschiedliches Profil an Proteinabbauprodukten gebildet. Die höhere proteolytische Aktivität resultiert in einer signifikant stärker ausgeprägten Bitterkeit der mit mikrobiellem Gerinnungsenzym hergestellten Käse nach 12 Wochen Reifungszeit. / Clotting of milk caused by hydrolytic cleavage of κ-casein is the first important step in cheese milk processing. This cleavage is caused by clotting enzymes of different origin, which are comprehensively characterized by considering results of latest investigations. The composition of selected calf rennets, microbial coagulants derived from Rhizomucor miehei and genetically engineered chymosin (FPC) derived from cow and camel is analyzed by HPLC and electrophoresis. In contrast to conventional products, the latest generation of microbial coagulants does not show minor components in a detectable amount because of a sufficient purification. The unspecific proteolytic activity is determined by fluorimetric quantification of 12 % tricloric-acid-soluble nitrogen, which is released by the enzymes from reconstituted skim milk, pH 6.5, after incubation at 32 °C for 24 h. Microbial coagulants show a significantly higher unspecific proteolysis as compared to chymosin-based clotting enzymes, especially when the enzymes are added in amount higher than used during cheese-making. Small amplitude oscillation rheometry analysis showed a lower gel firmness after 40 min of gelling when microbial coagulants were applied instead of calf rennet or FPC. Furthermore, flocculation time, gel formation time and gel firmness additionally depends on the test substrate, and this dependency is exceptionally pronounced when camel chymosin was used. The substrate specificity of this enzyme is neither identical to that of bovine chymosin nor to that of microbial coagulants. Cheese making experiments in laboratory-, pilot- and commercial-scale revealed a significantly higher cheese yield (0.50 - 1.19 %) when using calf rennet instead of microbial coagulant of the latest generation. During ripening of semi-hard cheese a higher amount of non-protein-nitrogen was released and a different electrophoretic casein degradation profile was generated when using microbial enzymes. Enhanced proteolysis is responsible for a significantly higher pronounced bitterness of microbial produced cheese after 12 weeks of maturation.