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Rock Biofilms
(2013)
Luftstaub über den Meeren - Wie historische Staubproben Wissenschaftler und Künstler inspirieren
(2013)
Introduction. Throughout a remarkably long period land colonisation on Earth has been proceeding by biofilm growth on bare rock surfaces. This very long history of sub-aerial biofilm development resulted in a high degree of their specialisation in challenging environments including desert rocks and high mountain altitudes. Presently the solid substrate/atmosphere interface habitat is frequently anthropogenic and includes e.g. building surfaces as well as industrial energy-producing facilities like solar plants. Those can be looked upon as pseudodeserts inhabited by complex microbial communities metabolising under limited water availability and high sun irradiation.
Aim. We intended to compare microbial settlers from sub-aerial biofilms that grow on photovoltaic panels and painted building facades surfaces to the known database of the rock-inhabiting fungi.
Materials and methods. Characteristic organisms' that dominate specific rock-inhabiting as well as buildings' facades- and photovoltaic panel-dwelling communities were isolated, identified, and characterized by microbiological and molecular biological methods.
Results. Melanised meristematic ascomycetes are the most enduring and numerous dwellers on sub-aerial rock, facade and solar panel surfaces. Obviously, environmental changes perturb sub-aerial biofilm development but over a number of seasons, these changes result in relatively stable microbial communities peculiar to this particular environmental niche.
Conclusions. A broad selection of melanised meristematic ascomycetes is indicative of sub-aerial biofilm on all atmosphere-exposed surfaces and can thus be referred to as "reference organisms" for these habitats. Our experimental evidence confirms that colonization of such substrates is facilitated by a symbiosis between a photosynthesizing organism and a fungus that are equipped to cope with the stress associated with sub-aerial existence. Melanised ascomycetes possess a very special stress-tolerant life style that arises under the influence of atmosphere and the solid support. It should be pointed out, that (1) these biofilm communities cannot be considered as "primitive" ones regarding the very long history of their development and high degree of their specialization; and (2) symbiotically competent but free-living bacterial/fungal biofilms cannot be compared to lichen communities, evolving much later than biofilm ecosystems. A genetically tractable laboratory system that includes the key participants of sub-aerial biofilm ecosystems is currently used for the development of standard test procedures in material sciences.
Keywords. Sub-aerial biofilms, rock-inhabiting melanised fungi, reference organisms, solar panels biofilms
Life on the Rocks: A simple genetically tractable model system to study fungus-rock interactions
(2015)
Vielleicht nannten es die Berliner „Puppen putzen“, wenn in den 1880er Jahren die Marmorstatuen auf der Schlossbrücke vor dem Berliner Stadtschloss mit Bürste, Wasser und Seife von Staub, Ruß und Taubendreck befreit wurden. Soviel Pflege wurde diesen Göttinnen aus der griechischen Mythologie nicht immer zuteil. So haben Klima, Luftverschmutzung und der 2. Weltkrieg, wie bei anderen Kunstwerken auch, tiefe Spuren hinterlassen. Der Erhalt dieser zwischen 1847 und 1857 aufgestellten Skulpturen und vieler vergleichbarer Objekte im Stadtbild ist durch die auch heute weiter fortschreitende Schädigung des Marmors gefährdet. In den Jahren 2006 bis 2010 förderte die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) ein Projekt zur „Entwicklung und Überprüfung von Einhausungssystemen zur Reduzierung umweltbedingter Schädigungen von außenexponierten Marmorobjekten mit dem Ziel des langfristigen Erhalts in situ an einem national bedeutenden Objektkomplex, den Schlossbrückenfiguren unter den Linden, Berlin“. Geleitet und restauratorisch betreut wurde das Projekt durch das Landesdenkmalamt (LDA) Berlin. Durch die Abteilung Strukturgeologie und Geodynamik (GZG) der Georg-August Universität Göttinnen wurden die Verwitterungsmechanismen des Marmors untersucht und auf dieser Basis Anforderungen an das Schutzsystem formuliert. Anhand von numerischen Simulationen des Instituts für Bauklimatik der Technischen Universität Dresden (TUD) wurde das bauphysikalische Konzept des Einhausungssystems optimiert. Die konstruktive Gestaltung eines Prototyps und des finalen Entwurfs erfolgte durch das Fachgebiet Konstruktives Entwerfen und Tragwerkslehre der Universität der Künste Berlin. Durch den Fachbereich Baustoffe der BAM erfolgten die Realisierung des Prototyps der Einhausung sowie ein umfangreiches Klimamonitoring an den Skulpturen. Anhand dieses interdisziplinären Projektes und ergänzt durch weitere Messungen wird gezeigt, mit welchen Methoden die für die Degradation von Marmor relevanten Mechanismen untersucht werden können. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sind die Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Pflege- und Schutzkonzepte für die kulturhistorisch wertvollen Skulpturen. Nur mit solchen modernen konservatorischen Programmen können die Originalskulpturen im Berliner Stadtraum erlebbar bleiben.
Schwarze mikrokoloniale Pilze besiedeln zunehmend von Menschen geschaffene Habitate, wie schadstoffbelastete Böden, Statuen, Gebäudefassaden und Dächer. Sie verfärben und zersetzen die Oberflächen von anfälligen Materialien oder reduzieren die Lichtausbeute von Solaranlagen. Die Biologie dieser Pilze und ihre Relevanz für die Materialforschung stehen im Fokus unserer Studien an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Mit einer Kollektion schwarzer Pilze, die von Solaranlagen isoliert wurden, bringen wir klima- und materialrelevante Biodiversität in den Stammbaum des Lebens. Die Überlebensstrategien dieser Organismen versuchen wir mit molekularbiologischen und genetischen Untersuchungsansätzen zu entschlüsseln.
Drei grundlegend verschiedene Ansätze für Umweltsimulation werden an Beispielen illustriert:
(i) Ganzheitlicher Ansatz - Nachstellen von Umweltmilieus im Labor
Ziel ist hier das Nachstellen von (kombinierten) Umweltbedingungen im Labor; die Umweltparameter werden mit all ihren Wechselwirkungen aufgebracht.
Hauptnutzen ist eine gegenüber der natürlichen Beanspruchung erhöhte Reproduzierbarkeit der Umweltbedingungen. Hat man sein Laborsetup entwickelt, ist es auf verschiedene Materialien anwendbar.
Unter solchen Laborbedingungen ermittelte Lebensdauern sind dabei nicht auf die typischerweise sehr variablen Real-Umweltbedingungen übertragbar.
(ii) Parametrisierter Ansatz - Ermittlung einzelner Materialempfindlichkeiten
Hierbei werden im Labor die Wirkungen separater Umweltparameter auf Materialien nachgestellt. Für eine solche Separation der Einflussfaktoren ist insbesondere die Aufschlüsselung möglicher Wechselwirkungen der Umwelt-parameter (z.B. Mikroklima an bestrahlten Oberflächen) erforderlich. Einzelne (meist Alterungs-) Empfindlichkeiten können qualitativ nachgewiesen werden oder sogar – als Beanspruchungs-Wirkungs-Funktionen – quantifiziert werden, was einen wesentlichen Schritt in Richtung der Digitalisierung der Material¬prüfung darstellt. Insbesondere ist dann auch eine Lebensdauer-vorhersage für vorgegebene Zeitreihen der Beanspruchungs¬parameter umsetzbar.
(iii) Rückwirkungen auf die Umwelt
Umweltbeanspruchungen können zur Freisetzung von Schadstoffen in die Umwelt führen. Durch die Nachstellung kritischer, aber realitätsnaher Einsatzszenarien kann die Menge an freigesetzten Substanzen abgeschätzt werden.
Egal, welcher Ansatz verfolgt wird – ein Vergleich mit der oder einer Real-beanspruchung ist unerlässlich, ebenso wie die Messdatenaufzeichnung (data logging) aller potenziell relevanten Beanspruchungsparameter während dieser Realbeanspruchung.
Obwohl die naturnahe Umwelt – sowohl in der BAM als auch bei der GUS – gegenüber der technischen Umwelt eher untergeordnet auftritt, werden zur Illustration Beispiele aus der naturnahen Umwelt verwendet.