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In Zusammenhang mit steigenden Temperaturen ist in Zukunft mit einer verst��rkten Eutrophierung und Stratifizierung zu rechnen, was zur Ausbreitung von Sauerstoffminimumzonen f��hrt. Sauerstoffminimumzonen bilden wiederum die Grundlage f��r das verst��rkte Aufkommen von sulfidischen Wasserzonen. Mikroben k��nnen eine wichtige Rolle bei der Entgiftung von Schwefelwasserstoff spielen. Pelagische Redoxklinen als biogeochemische Transformationszonen stellen ideale Umgebungen dar, um die komplexe Rolle von Mikroorganismen in diesem Prozess und die entsprechenden wichtigen Kontrollfaktoren zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde die mikrobielle ��kologie der Redoxkline der Cenote El Zapote auf der Yucat��n Halbinsel untersucht. In der Cenote El Zapote wurden die gr����ten Unterwasser-Spel��otheme der Welt, die sogenannten Hells Bells, entdeckt. Fr��here Studien zur Hydrogeochemie der Cenote deuteten darauf hin, dass die Entwicklung der Kalzitformationen h��chstwahrscheinlich auf mikrobieller Aktivit��t in der Redoxkline beruht. Um zu kl��ren, ob diese enigmatischen Kalkstrukturen durch mikrobiell induzierte Mineralisierung entstehen, wurde die funktionelle Vielfalt der verschiedenen Subbiotope (S����wasser, Halokline, Redoxkline, Biofilm auf den Spel��othemen) mittels 16S rRNA-Amplikonsequenzierung bestimmt und mit einem metagenomischen und -transkriptomischen Profiling der mikrobiellen Gemeinschaft verbunden, um die mikrobiellen Hauptakteure und ihre vielf��ltigen Stoffwechselaktivit��ten zu identifizieren. Diese Studie konnte aufdecken, dass chemolithoautotrophe Hydrogenophilales in dieser elektronenakzeptorlimitierten Umgebung eine unvollst��ndige nitratgetriebene Sulfidoxidation mit elementarem Schwefel als Hauptprodukt anstelle von Sulfat katalysieren. Dieser protonenverbrauchende Prozess ist f��r eine leichte lokale pH-Verschiebung ins Alkalische verantwortlich, welche wiederum Kalzitf��llung und schlie��lich die Bildung der Tr��beschicht und das Wachstum der Hells Bells f��rdert. Auf Grundlage dieser Schlussfolgerung wurde Kalzitf��llung durch diese Stoffwechselaktivit��t mit Hilfe von mikrofluidischen Chip-Systemen im Laborma��stab untersucht und erfolgreich best��tigt. Folglich konnten die Kernaussagen vorrausgehender hydrogeochemischer Studien beleget werden. Ein Teilprojekt, das auf den metatranskriptomischen Daten basierte, erm��glichte es sogar, die Grundlage f��r eine antik��rperbasierte Isolierungsmethode zur Anreicherung von Thaumarchaeota aus der Redoxkline von El Zapote zu schaffen. Um den Ursprung von Hells Bells besser zu verstehen, wurde als N��chstes die mikrobielle ��kologie der Redoxkline von Cenote Angelita untersucht, die keine Spel��otheme aufweist. Metatranskriptomische Analysen zeigten, dass photolithoautotrophe Chlorobiales und chemolithoautotrophe Campylobacterales eine zentrale Rolle spielen. Die anoxygene Photosynthese und anaerobe Sulfidoxidation mit dem Hauptprodukt Sulfat bewirken in dem weniger elektronenakzeptorlimitierten Redoxregime eine pH-Absenkung, die wiederum zu einer Kalzitunters��ttigung und Hemmung der Kalzitf��llung f��hrt. Mit dieser Studie konnten die mikrobiellen Hauptakteure, ihre komplexen Stoffwechselwege und Schl��sselgene, die am biogeochemischen Kreislauf in diesen Redoxklinen beteiligt sind, aufgedeckt und damit das Verst��ndnis des Wachstums von Hells Bells auf eine molekularbiologische Ebene gehoben werden.

Die Forschung im Bereich der Bioelektrochemie stellt neue einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung und Nutzung mikrobieller Physiologie bereit. Dabei eröffnet sie Anwendungen im Bereich nachhaltiger Fermentationsroutinen, dezentraler Mediation von Umwelt- kontaminationen sowie im Bereich der Biosensorik. Im Zentrum steht dabei stets die Interaktion zwischen Mikrobe und Elektrode. In Elektroden-gestützten Fermentationen katalysieren Mikroorganismen unter anoxischen Bedingungen den Elektronentransfer auf die Anode eines bioelektrochemischen Systems (BES). So können Produktionsroutinen zur Synthese von Plattformchemikalien mit der Gewinnung elektrischer Energie einhergehen. Außerdem profitieren diese Prozesse von dem typischerweise hohen Verhältnis kataboler zu anaboler Substratnutzung. Ein grundlegendes Verständnis des extrazellulären Elektronentransfers (EET) ist notwendig, um Stämme zu etablieren, die den industriellen Anforderungen entsprechen. Durch schrittweise Transplantation der EET-Kette des nativen exoelektrogenen Modellorganismus $\textit{Shewanella oneidensis}$ ($\textit{S. oneidensis}$) in den Wirtsorganismus $\textit{Escherichia coli}$ ($\textit{E. coli}$) wurden in dieser Arbeit die Elektronentransferschritte individuell analysiert und der Einfluss assoziierter Faktoren ermittelt. Dazu konnte das putative minimale Proteinset, bestehend aus den $\textit{c}$-Typ Cytochromen CymA, STC, MtrA und MtrC sowie dem β-$\textit{barrel}$-Protein MtrB, in unterschiedlichen Ausbaustufen heterolog exprimiert und diese hinsichtlich ihrer Reduktionsraten mit $\textit{S. oneidensis}$-Stämmen mit ähnlichen relevanten Proteinsetups verglichen werden. Daraus wurde ersicht lich, dass die Transplantation heterologer EET-Ketten mit enorm verringerten Elektronentransferraten im Vergleich zu denen nativer exoelektrogener Mikroorganismen einhergeht. Davon ausgehend wurden weitere genetische Elemente identifiziert und integriert, welchen durch Protein-Maturation, - Lokalisation und -Funktionalität eine mutmaßliche indirekte Beteiligung am EET zugeschrieben wird. Insbesondere ging es dabei um das hochkomplexe Cytochtom $\textit{c}$-Reifungssystem, die Biosynthese von Menachinon-7 sowie das Typ II-Sekretionssystem. Letzteres ermöglichte erstmalig die korrekte Lokalisation der terminalen Reduktase MtrC durch Sekretion auf die Zelloberfläche. Dennoch waren die dadurch gesteigerten Reduktionsraten nicht kompetitiv mit Reduktionsraten in $\textit{S. oneidensis}$. Diese Daten deuten darauf hin, dass die EET-Prozesse weitaus komplexer sind als bisher angenommen. Aus diesem Grund wurde anschließend ein gain-of-function Screen auf Basis einer $\textit{S. oneidensis}$ Fosmid-Bibliothek etabliert, über den weitere putative Faktoren für einen verbesserten EET identifiziert werden konnten.

Bei der sogenannten mikrobiellen Elektrosynthese handelt es sich um eine recht junge Technologie zur direkten Konversion von CO$_{2}$ und elektrischem Strom in organische Verbindungen. Kathodische Elektronen dienen dabei elektroautotrophen Mikroorganismen als alleinige Energie- und Elektronenquelle zur CO$_{2}$-Fixierung. In der Literatur sind nur wenige Mikroorganismen beschrieben, welche als Biokatalysator in einem mikrobiellen Elektrosyntheseprozess verwendet werden können. Dabei handelt es sich überwiegend um acetogene und methanogene Organismen. Dies resultiert in einer geringen Produktpalette dieser vielversprechenden Technologie. Darüber hinaus handelt es bei der genannten Organismengruppen um strikt anaerobe Mikroorganismen. Allerdings enthalten die Abgasströme großer CO$_{2}$-Emissionsquellen typischerweise Sauerstoff, wodurch eine direkte Nutzung dieser Substratströme durch anaerobe, elektroautotrophe Organismen nur durch eine kostspielige Aufreinigung des Substrates erwirkt werden könnte. Das Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung eines geeigneten Biokatalysators zur Nutzung von CO$_{2}$ in einem aeroben, mikrobiellen Elektrosyntheseprozess. Dabei wurden verschiedene, im Rahmen einer Isolationskampagne in Reinkultur gebrachte Knallgasbakterien einem initialen Elektroautotrophie-Screening unterzogen. In diesem Screening konnte ein thermoacidophiles Isolat der Gattung Kyrpidia als ein geeigneter Kandidat für den angestrebten Prozess identifiziert werden. Anschließend wurde das Genom von Kyrpidia sp. in einem dualen Sequenzierungsansatz als Grundlage weiterer Analysen sequenziert. Anhand genomischer, chemotaxonomischer und physiologischer Untersuchungen konnte das Isolat als eine neue Art der Gattung Kyrpidia beschrieben werden. Mikroskopische Analysen eines kathodischen Kyrpidia spormannii-Biofilms bestätigten dessen Zellvitalität und Aktivität. Mittels einer vergleichenden Transkriptomanalyse wurden Hinweise auf eine kathodische CO$_{2}$-Fixierung über den Calvin-Zyklus, eine elektroautotrophe PHB-Produktion sowie eine hydrogenase-abhängige Elektronenaufnahme von der Kathode erlangt. Durch die Kultivierung von K. spormannii in mit Druck beaufschlagbaren, bioelektrochemischen Fließzellen wurden vergleichsweise hohe Biofilmdichten erreicht. Elektroautotrophes Wachstum konnte Anhand eines 13C-Inkorporationsexperiment und optischer Kohärenztomographie nachgewiesen werden. Abschließend konnte die Nutzung von Rauchgas aus einem Kohlekraftwerk als alleinige Kohlenstoffquelle für das autotrophe Wachstum von K. spormannii gezeigt werden. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger Biokatalysator für einen aeroben mikrobiellen Elektrosyntheseprozess beschrieben werden.

Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war es, die Elektronentransferrate des Mikroorganismus S. oneidensis MR-1 auf Anodenoberflächen zu verbessern und mit seiner Hilfe Itakonsäure ausgehend von Glukose als neuem Substrat zu produzieren. Aufgrund der Komplexität dieses Vorhabens wurde die Doktorarbeit in drei Teilprojekte aufgeteilt. Das erste Teilprojekt basierte auf der Hypothese, dass eine Reduktion der Komplexität des periplasmatischen Elektronentransfernetzwerks und eine anschließende Überexpression des wichtigen periplasmatischen Elektronen-Shuttle-Cytochroms STC zu einer Beschleunigung der Elektronentransferrate und somit des gesamten Metabolismus führen könnte. Genauer gesagt, wurden die periplasmatischen Cytochrome NrfA, CcpA, NapB und das Protein NapA mit STC ersetzt, was zu einer 3,6-fach erhöhten Expression des STC kodierenden Gens cctA und einem 2,5-fachen Anstieg der periplasmatischen Flavin-Konzentration führte. Die resultierende 4-fach Mutante zeigte in anoxischen Zellsuspensionsassays mit Eisencitrat als Elektronenakzeptor eine 1,7-fach erhöhte Elektronentransferrate im Vergleich zu S. oneidensis MR-1. Des Weiteren war die erreichte Gesamtstromproduktion in bioelektrochemischen Systemen mit einer Graphit-Fleece-Elektrode als Elektronenakzeptor unter anoxischen Bedingungen mit der entwickelten 4-fach Mutante 1,5-fach höher. Außerdem war es möglich zu zeigen, dass eine bisher vermutete Redundanz von STC und FccA im Elektronentransfer nicht komplett gegeben ist, da eine zusätzliche Substitution von FccA mit STC zu Elektronentransferraten auf Wildtyp-Niveau führte. Im zweiten Teilprojekt wurden verschiedene Strategien getestet, um Shewanella zu ermöglichen Glukose als Substrat zu nutzen. Dabei war das Einsetzen eines Plasmids mit den Genen für den Glukosetransporter GalP und die Kinase Glk aus E. coli die effizienteste Strategie. Die Kombination aus dieser Strategie und dem im ersten Teilprojekt entwickelten Chassis-Stamm erlaubten es Shewanella 50 mM Eisen(III)citrat innerhalb von 24 h komplett zu reduzieren. Im Vergleich von 4-fach Mutante mit Glukose-Modul und Wildtyp mit Glukose-Modul konnte ein 1,7-fach schnellerer Glukoseverbrauch festgestellt werden. Eine andere getestete Strategie – die Deletion des Repressors NagR – stellte sich unter anoxischen Bedingungen als wirkungslos heraus. Das dritte Teilprojekt zielte auf die Ermöglichung der Glukose-basierten Itakonsäure-Produktion ab, weshalb das zuvor getestete Glukose-Modul sowie das Enzym CadA von Aspergillus terreus in einem Plasmid in Shewanella eingefügt wurden. Zusätzlich wurden verschiedene Gene deletiert, um die metabolische Komplexität zu reduzieren und die Produktion von Nebenprodukten zu vermeiden. Genauer gesagt wurden die Gene sucCD, pykA, aceA, ptA und ackA aus dem Genom entfernt. Zellsuspensionsassays unter oxischen und anoxischen Bedingungen zeigten, dass die Produktion von kleinen Itakonsäure-Mengen nur unter oxischen Bedingungen möglich war. Wegen der geringen Mengen von Itakonsäure, die während dieser Experimente produziert werden konnten, wäre weitere Forschung an der Stammoptimierung notwendig. Nichtsdestotrotz konnte gezeigt werden, dass die Integration von cadA die Itakonsäure-Produktion ermöglicht und somit das grundlegende Konzept valide ist.

Anodische Elektrofermentation ist eine neue Strategie anaerober Biotechnologie. Sie ermöglicht Umsetzungen, bei denen die mittlere Oxidationsstufe des Endproduktes höher ist als die des Substrats. Konventionell werden solche Reaktionen ausschließlich unter oxischen Prozessbedingungen katalysiert. Dies geht mit einer starken Biomassebildung und einem hohem Energieaufwand einher. Bei der Elektrofermentation fällt stattdessen als Nebenprodukt lediglich elektrische Energie an, welche universell verwendet werden kann. Ziel dieser Arbeit war die Etablierung eines Systemes zur Elektrofermentation von Acetoin in einem metabolisch veränderten Escherichia coli Stamm. Bei Acetoin handelt es sich um einen vielversprechenden Kandidaten für Basischemikalien einer anvisierten Bioökonomie. Im ersten Teil der Arbeit konnte ein funktionales System zur Elektrofermentation von Acetoin in Escherichia coli etabliert werden. Darauf aufbauend wurde im zweiten Teil der Arbeit das Reaktorsystem dahingehend weiterentwickelt, den Anforderungen dieses speziellen Fermentationsprozesses Rechnung zu tragen und inhibierende Faktoren zu identizieren und zu eliminieren. Im dritten Teil der Arbeit wurden Untersuchungen zur Physiologie des Produktionsstammes vorgenommen und die gewonnenen Erkenntnisse über die Acetyl-Phosphat abhängige Stowechselregulation zur Beschleunigung der metabolischen Rate angewandt. Im letzten Charakterisierungsschritt konnte die Leistungsgrenze des Reaktorsystems ermittelt und eine Modellbetrachtung des Fermentationsprozesses angestellt werden. Es konnte hierdurch ein Fermentationsprozess etabliert werden, welcher Acetoin mit einer Ausbeute von rund 80 % des theoretischen Maximums produziert. Ferner wurde eine Steigerung der Umsatzrate um das 15-Fache erreicht. Mit einer Produktivität von 76 mg l−1 h werden erstmals Werte erreicht, die eine zukünftige Konkurrenz zu oxischen Fermentationen plausibel erscheinen lassen.

Die Vorkommen der fossilen Energiereserven neigen sich dem Ende zu. Daher ist es notwendig, dass die Menschheit lernt alternative Energie- und Kohlenstoffquellen zu nutzen. Insbesondere die chemische Industrie muss unabhängig von fossilen Rohstoffen werden, in dem Plattformchemikalien verwendet werden. Diese Plattformchemikalien sollen aus Biomasse hergestellt werden und dienen als Vorläufer für viele weitere Endprodukte der chemischen Industrie. Unter anderem wurden Acetoin und 2,3-Butandiol als Plattformchemikalien identifiziert. Nicht nur das weite Anwendungsspektrum sondern auch der prognostizierte steigende Umsatz lenken das Interesse auf diese beiden Chemikalien. Für die Produktion von Acetoin und 2,3-Butandiol wurde das Knallgasbakterium Cupriavidus necator für diese Arbeit ausgewählt, da es sowohl als Modelorganismus für chemolithoautotrophes Wachstum gilt, als auch in der Industrie bereits als Produzent für Bioplastik (Polyhydroxybutyrat, PHB) eingesetzt wird. Nach der Deletion des acoABC-Operons, welches für den Acetoin-Metabolismus notwendig ist, wurden die Gene alsSD (Acetolactat-Synthase und Acetolactat-Decarboxylase) vom Plasmid aus exprimiert. Dafür wurden drei verschiedene Promotoren getestet: ein Arabinose-induzierbarer Promotor, ein Rhamnose-induzierbarer Promotor und ein konstitutiver Promotor, der nativ für die Produktion von PHB zuständig ist. Des Weiteren wurden die Gene für die beiden beschriebenen PHB-Synthasen PhaC1 und PhaC2 deletiert, um den Kohlenstofffluss in Richtung Acetoin-Produktion zu verschieben. Dabei hat sich herausgestellt, dass die zweite Synthase keinen direkten Einfluss auf die Produktion von PHB hatte. Die Acetoin-Produktion dieser zwölf verschiedenen Stämme wurde unter heterotrophen und autotrophen Bedingungen untersucht. Bei der Kultivierung in Minimal-Medium mit Fructose als einzige Kohlenstoffquelle weist der Stamm mit der Deletion von acoABC und dem Rhamnose-induzierten Plasmid die höchste Acetoin-Ausbeute mit 69% auf. Mit nur fünf Prozentpunkten weniger erreichten die Stämme mit dem konstitutiven Promotor und den zusätzlichen Deletionen von phaC2 und phaC1_phaC2 eine Ausbeute von 64%. Ausgehend von Fructose als Kohlenstoffquelle wurde das theoretische Maximum der Ausbeute von 100% (mol Acetoin/mol Fructose) ermittelt. Bei der Kultivierung mit CO2 hingegen liegt dieses Maximum der Ausbeute bei 25% (mol Acetoin/mol CO2). Das Maximum von 25% erreichten zwei Stämme bei der Kultivierung mit H2 (Elektronendonor), O2 (Elektronenakzeptor) und CO2 (Kohlenstoffquelle). Beide Stämme trugen die Deletion von acoABC und phaC1 sowie das Plasmid mit dem Rhamnose-induzierten oder mit dem konstitutiven Promotor. Dabei war phaC2 in dem Stamm mit dem konstitutiven Promotor zusätzlich deletiert. Der Stamm ohne diese zusätzliche Deletion von phaC2 erreichte eine Ausbeute von 19%. Neben der Acetoin-Produktion wurde ebenfalls die Produktion von 2,3-Butandiol getestet, dafür wurde in den Acetoin produzierenden Stämmen zusätzlich das Gen budC (2,3-Butandiol Dehydrogenase) exprimiert. In allen Versuchen wurden niedrigere Ausbeuten für die kombinierte Produktion gegenüber der reinen Acetoin-Produktion festgestellt. Die höchste 2,3-Butandiol-Ausbeute wurde unter heterotrophen Bedingungen (theoretisch maximale Ausbeute 100%) für den Stamm mit dem Rhamnose-induzierten Promotor am Ende des Versuches mit 48% berechnet, zu diesem Zeitpunkt wurden ebenfalls noch 10% Acetoin detektiert. Unter autotrophen Bedingungen (theoretisch maximale Ausbeute 25%) produzierte der Stamm mit dem konstitutiven Promotor 1% Acetoin und 7% 2,3-Butandiol. Für die chemolithoautotrophe Produktion von Plattformchemikalien sind drei Gase (H2, O2 und CO2) notwendig. Sowohl O2 als auch CO2 sind dafür in unserer Luft ausreichend vorhanden. Da die H2-Konzentration von etwa 0,5 ppm in der Luft nicht ausreichend für lithotrophes Wachstum ist, ist eine externe Zugabe notwendig. H2 kann über verschiedene Wege produziert werden. Um dabei die Freisetzung von CO und CO2 zu verhindern, kann eine elektrolytische Spaltung von Wasser in H2 und O2 durchgeführt werden. Um die zusätzlich benötigte Spannung hinzuzufügen, wurde ein Potentiostat an eine Elektrolyse-Zelle angebracht. In dieser Arbeit wurde eine Elektrolyse-Zelle aus überwiegend handelsüblichen Materialien aufgebaut, die in einem Versuch über 14 d mit einer angelegten Spannung von -1 V vs. Ag/AgCl im Durchschnitt 0,75 A verbrauchte. Für diese Zeitspanne wurde eine Produktivität von 3,55 cm3 H2/h berechnet.

Durch die Energiewende liegt ein Fokus auf einer effizienteren Abfallverwertung und der Vermeidung von Energieverschwendung. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein aus Gemüseabfällen gewonnenes Fermentat ein potentielles Substrat für ein bioelektrochemisches System darstellt. Dieses System sollte es ermöglichen, die Oxidation organischer Reststoffe mit der Produktion von Strom zu koppeln. Es wurde gezeigt, dass das Fermentat ein geeignetes Substrat darstellt, und die enthaltenen organischen Säuren von Mikroorganismen im bioelektrochemischen System zu CO2 oxidiert werden können. Dabei wurden anfallende Elektronen des Stoffwechsels auf die Anode des Systems übertragen und es konnte ein Strom gemessen werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die organischen Säuren Acetat und Butyrat nahezu vollständig abgebaut werden, während die Säure Propionat zunächst nicht oder nur im geringen Maße abgebaut wird und daher im Fermentat verbleibt, bis Acetat und Butyrat vollständig oxidiert sind. Erst wenn kein anderes Substrat mehr zur Verfügung steht, wird auch Propionat abgebaut. Durch Einsatz eines Inhibitors konnte gezeigt werden, dass der Großteil des Acetat-Abbaus sowie ein Teil des Butyrat-Abbaus durch Methanogenese bedingt ist. Der Verdacht auf Beteiligung methanogener Organismen wurde zudem über eine 16S rRNA- sowie eine Metatranskriptomanalyse bestätigt. Um die Produktionskette abzuschließen, wurden bakterielle Produktionsstämme entwickelt, die in der Lage sind, Propionat zu Platformchemikalien umzusetzen und so auch diese eher reaktionsträge Säure zu einem wertvollen Endprodukt umzusetzen. Hierfür wurden zudem Filtrationsprozesse in die Kette integriert, um das Fermentat nach der Behandlung im bioelektrochemischen System von Schwebstoffen zu befreien und eine Aufkonzentrierung des Propionats zu erreichen. Insgesamt konnten so aus Gemüseabfallfermentat 190,83 ± 52,40 μA/cm2 Strom gewonnen werden. Bei der Veredelung zu Platformchemikalien konnten aus Propionat 494,30 mg/l Acetoin mit einer Umsetzungsrate von 45,53% und 456,46 mg/l 1-Propanol mit einer Umsetzungsrate von 97,94% produziert werden. Durch die Aneinanderreihung von biotechnologischen Prozessen bietet diese Arbeit einen innovativen Lösungsansatz für die Verwertung von Bioabfällen sowie eine Möglichkeit zur nachhaltigen Energiegewinnung.

Biofilme sind sessile, in eine Matrix eingebettete, mikrobielle Gemeinschaften und stellen die primäre Lebensform von Mikroorganismen dar. Sie haben großen Einfluss auf wichtige Aspekte der Medizin und Industrie und zeigen ein enormes Potential in der Erforschung sozialer mikrobiologischer Interaktionen. Die Analyse dieser komplexen Systeme erweitert unser Verständnis mikrobiellen Lebens beständig, bedingt allerdings auch die stetige Entwicklung und Optimierung neuer Technologien zur Biofilmkultivierung und -analyse. In dieser Arbeit wurde, mit dem Hintergrund der Co-Kultivierung bisher unkultivierbarer Mikroorganismen, ein neuentwickeltes mikrofluidisches Chipsystem auf dessen Anwendbarkeit als Biofilmkultivierungsplattform untersucht. Eine der Kernideen des Systems war dabei die Separierung von Biofilmgemeinschaften über den Verlauf des fluidischen Kanals. Die Möglichkeit mikrobiologische Co-Kulturen räumlich aufzutrennen dient als eine der Grundvoraussetzungen für die Anreicherung und Analyse bisher unkultivierbarer Mikroorganismen. Aus diesem Grund war ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit biologische Gradienten innerhalb des fluidischen Systems zu generieren und nachzuweisen. Die Charakterisierung umfasste zudem die Kontrolle der allgemeinen und gerichteten Biofilmkultivierung, die Validierung speziell angepasster Methoden sowie den Nachweis als potentielle Mutagenese- und Screeningplattform. Im Allgemeinen ergab sich durch verbesserte Prozessprotokolle und der Entkopplung händischer Analysen eine gesteigerte Reproduzierbarkeit durchgeführter Biofilmkultivierungen. Das System wurde im Verlauf der Systemoptimierung um eine Infrastruktur zur parallelen und anoxischen Kultivierung erweitert. Robotergestützte Analysen ermöglichten es auf die Anwendung molekularbiologisch modifizierter Modellorganismen, wie autofluoreszente Stämme, prinzipiell zu verzichten. Anhand der Kultivierung und Analyse von 2-Spezies-Konsortien konnte die angestrebte zweidimensionale Auftrennung über den Verlauf des Systems, sowohl für prozessbedingte als auch biologisch generierter Gradienten, nachgewiesen werden. Zudem wurde erstmals und erfolgreich die Kombination aus robotergestützter Probenahme und 16S-rDNA Amplicon Sequenzierung dazu genutzt die räumliche Auftrennung zweier Co-kultivierter Spezies innerhalb des Chipsystems aufzuzeigen. Durch Experimente mit UV-C Strahlung zur nicht invasiven Biofilmmanipulation konnte das System als Mutagenese-Plattform etabliert werden. Des Weiteren konnte dank der Modellierbarkeit des Systems ein speziell angepasstes Setup zur konstanten Generierung neuer Stammvarianten entwickelt werden. Als Proof of Concept wurde auf Stämme mit einer erhöhten Toleranz gegenüber dem Elektronenmediator Methylenblau selektiert, welche zur Optimierung bioelektrochemischer Systeme eingesetzt werden sollten. Mit dem Setup konnten erfolgreich neue methylenblautolerantere Varianten des Stammes JG806 generiert werden. Eine genauere Analyse neuer Stammvarianten zeigte eine erhöhte Stromproduktion in bioelektrochemischen Systemen und unter anderem eine Mutation im Repressor AcrR als mögliche Ursache für die vielfach erhöhte Toleranz gegenüber Methylenblau.

In den letzten Jahrzehnten ist die Nachfrage an Trinkwasser durch das stetige Wachstum der Weltbevölkerung, aber auch der Industrialisierung, immer weiter angestiegen. Zudem sind auch der Anstieg von Treibhausgasemissionen und die Limitierung der fossilen Brennstoffe zu globalen Herausforderungen der Zukunft geworden. Abfallströme, wie z.B. Abwasser, könnten als alternative Energiequelle dienen. Im Hinblick auf erneuerbare Energien, haben sog. bioelektrochemische Systeme in den letzten Jahren immer mehr Aufmerksamkeit erlangt. Über solche Systeme kann, mit Hilfe von sog. exoelektrogenen Mikroorganismen, chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Da in Abwasser eine enorme Menge an interner chemischer Energie in Form von organischen Substraten steckt, wäre die Anwendung eines BES-Systems in der Abwasseraufbereitung eine nachhaltige und umweltfreundliche Methode, bei der gleichzeitig Strom produziert werden würde. Ziel dieser Arbeit war es, die große Menge an Substrat, hauptsächlich Acetat, aus einem industriellen Abwasser über ein solches BES-System zu entfernen und dabei Strom zu generieren. In einem ersten Schritt wurden dafür potentielle exoelektrogene Mikroorganismen aus dem Abwasser isoliert und nachfolgend deren Fähigkeit zur Eliminierung der Kohlenstoffverbindungen und der Stromproduktion getestet. Hierfür wurden verschiedene Ansätze mit den Isolaten und dem exoelektrogenen Laborstamm G. sulfurreducens in einem Batch-Experiment für 21 Tage und einem Durchfluss-Experiment für 92 Tage getestet. In dem Durchfluss-Experiment wurde zudem der Einfluss der Flussrate auf die Leistung des Systems untersucht. Die maximal produzierte Stromdichte mit 1368,25 mA/m², wurde in einem Durchfluss-Experiment mit den Isolaten und G. sulfurreducens erreicht. In dem Batch-Experiment mit gleicher Zusammensetzung der Organismen wurden lediglich 14,89 mA/m² Strom produziert. In einer Versuchsreihe mit den Isolaten alleine zeigte das Durchfluss-System mit 656,97 mA/m² wieder eine bessere Leistung als das Batch-System mit 7,6 mA/m². G. sulfurreducens alleine hingegen produziert 27,78 mA/m² Strom in einem Batch-System. Auch der TOC-Verbrauch und die Coulomb´sche Effizienz (CE) ist in dem Durchfluss-Experiment mit den Isolaten und G. sulfurreducens mit 72,9% (TOC) und 54,98% (CE) am größten. In dem entsprechenden Batch-Experiment wurden lediglich 30,9% TOC verbraucht und die CE beträgt 1,3%. Die Isolate zeigen im Durchfluss-Experiment einen TOC-Verbrauch von 29,93% und eine CE von 23,79% und im Batch-Experiment 15,49% (TOC) und 1,6% (CE). Der Laborstamm alleine zeigt im Batch-Experiment einen TOC-Verbrauch von 16,47% und eine CE von 4,48%. In allen Versuchen konnte immer wieder ein rapider Abfall des pH-Wertes festgestellt werden. Somit wurde eines der Durchfluss-Systeme mit einer automatischen pH-Kontrolle ausgestattet, welche die Leistung des Systems zunehmend steigern konnte. Um den Einfluss des Abwassers auf die Mikroorganismen, besonders auf G. sulfurreducens, zu testen, sollten in Wachstumsversuchen mögliche Störstoffe, wie Phosphat und Ammonium, im Abwasser identifiziert werden und eine Adaptation an das Abwasser durch den Laborstamm herbeigeführt werden. In der ersten Versuchsreihe zeigte der Laborstamm jedoch keine Einschränkungen im Wachstum mit den Phosphat- und Ammoniumkonzentrationen, welche dem des Abwassers entsprachen. Bei der zweiten Versuchsreihe, dem Adaptationsversuch in 75% Abwasser, war die Adaptation nicht in einer gesteigerten Wachstumsrate sichtbar, sondern auf zellulärer Ebene durch erhöhte Expressionslevel an im Energiestoffwechsel (Citratzyklus und Acetat-Oxidation) beteiligter Enzyme und NADH-Dehydrogenasen. Zudem waren einige Transporter, welche Toxine und andere antimikrobielle Stoffe aus der Zelle transportieren ebenfalls verstärkt exprimiert. Eine Transkriptomanalyse brachte ebenfalls Aufschluss über die zellulären Mechanismen in den Zellen auf der Anode des Durchfluss-Experiments mit G. sulfurreducens und den Isolaten. Auch hier zeigte der Laborstamm eine verstärkte Anpassung an das Abwasser, wie zuvor beschrieben. Zudem konnte der Unterschied in der Expression der Gene aufgrund des gewählten Elektronenakzeptors aufgezeigt werden: Bei der Verwendung der Anode als Elektronenakzeptor wurden vermehrt Cytochrome und Pilus-Proteine produziert, um den extrazellulären Elektronentransport zu gewährleisten. Aber auch wichtige Proteine, welche für die Interaktion und die Ausbildung von Biofilmen notwendig sind, wurden hier vermehrt produziert. Über die Metatranskriptomanalyse konnten ebenfalls mögliche Stoffwechselwege, wie zum Beispiel die gemischte Säuregärung oder der Abbau von Cellulose aufgeklärt und damit eine mikrobielle Syntrophie der Isolate und dem Laborstamm G. sulfurreducens identifiziert werden. In einer letzten Versuchsreihe wurde eines der Isolate näher charakterisiert. Clostridium sp. I zeigte die höchste Fe³+-Reduktion innerhalb von 24 h und es konnte zudem gezeigt werden, dass der Stamm möglicherweise Fe³+ als Elektronensenke nutzt, um eine höhere Energieausbeute zu erzielen. Jedoch war dieser in einer M3C mit definiertem Medium nicht in der Lage, Strom zu produzieren.

Elektroautotrophie ist eine Lebensweise, bei der Mikroorganismen elektrische Energie als Elektronenquelle für die Reduktion von CO2 nutzen. Die mikrobielle Elektrosynthese stellt eine Technologie dar, welche die Rückgewinnung von CO2 zu reduzierten organischen Verbindungen mit einer Speichermethode für regenerativ erzeugte Energie verbindet. In dieser Arbeit gelang es, Mikroorganismen aus heißen Quellen unter elektroautotrophen Bedingungen anzureichern und Isolate zu erstellen.

In the present dissertation 3 typs of bioelectrochemical systems were developed. The 1st one was a microbial fuel cell which was tested in a domestic sewage treatment plant. An electrical current was produced while organic carbon and N2-compounds were removed from the wastewater. The 2 other systems served for the characterization of electrotrophic microbes. In this context the use of an carbon cathode as the sole electron donor for a genetically modified R. sphaeroides strain was demonstrated.

A new concept for integrating conventional anaerobic digester (AD) with bioelectrochemical cell (BEC) technology was investigated in the current study. The BEC technology can convert energy stored in organic matter directly into bioelectricity. Coupling AD with BEC could be a profitable approach that could lead to overcoming limiting factors in AD, such as hydrogen partial pressure and accumulation of volatile fatty acids, inhibiting the methanogenesis.

Shewanella oneidensis MR-1 ist einer der Modellorganismen zur Erforschung der dissimilatorischen Eisenreduktion (DIR). Für den Elektronentransfer über die äußere Membran und die Reduktion von Metalloxiden ist der MtrABC-Komplex notwendig. Diese Arbeit untersucht den Mechanismus der Integration des Proteinkomplexes in die äußere Membran.

Shewanella oneidensis MR-1 ist einer der Modellorganismen zur Erforschung der dissimilatorischen Eisenreduktion (DIR). Zur Etablierung von extrazellulärem Elektronentransfer ist die Übertragung der Elektronen durch das Periplasma Gram-negativer Bakterien obligatorisch. Diese Arbeit untersucht die Vorgänge, die periplasmatischen Elektronentransport in S. oneidensis vermitteln.

Die Installation einer mikrobiellen Brennstoffzelle (MBZ) in ein Klärwerk ist eine Möglichkeit eine Energie-autarke Abwasserreinigung zu ermöglichen. Dabei fungieren Mikroorganismen als Biokatalysatoren an der Anode, die den organischen Kohlenstoff oxidieren. In der vorliegenden Dissertation wurden Materialien getestet und Methoden entwickelt, um den Einsatz von MBZ-Technologien zu evaluieren.

Dissimilatory metal reduction is a form of anaerobic respiration that uses solid metal oxide minerals as terminal electron acceptors. One important model organism for this form of respiration is the gamma-proteobacterium Shewanella oneidensis. Electrons that are derived from oxidative processes at the cytoplasmic membrane are transferred via c-type cytochromes through the periplasm and further to the outer membrane. The terminal electron acceptor is reduced outside of the cell.