Anwendung von Computersimulationen in der biologischen Bodensanierung

Die organische Bodensubstanz (OBS) ist ein wichtiger Bestandteil des Bodens, und spielt eine entscheidende Rolle beim Transport und der Absorption von Pflanzennährstoffen sowie Schadstoffen oder anderen Xenobiotika. Die Entwicklung und Umsetzung effizienter Strategien zur Bodensanierung ist angesichts der wachsenden Umweltverschmutzung von größter Bedeutung. Diverse technische Ansätze basierend auf unterschiedlichen Arten physikalischer und chemischer Behandlungen finden Anwendung. Die biologische Bodensanierung, bei der biologische Komponenten zum Abbau und zur Beseitigung von Schadstoffen genutzt werden, stellt eine attraktive und kosteneffiziente Alternative dar und weckte in den vergangen Jahren wachsendes Interesse. Eine Vielzahl von Enzymen, hauptsächlich bakteriellen und fungalen Ursprungs, zeigen großes Potenzial für die Sanierung. Peroxidasen, Laccasen und Oxygenasen sind nur einige der Beispiele für Enzyme, die an der Detoxifizierung verschiedener gefährlicher Substanzen, wie Lignin, Phenole und (andere) organische Stoffe etc., beteiligt sind. Ihre Aktivität variiert jedoch stark abhängig von den Umweltbedingungen und könnte im verunreinigten Boden deutlich geringer ausfallen als unter Laborbedingungen und damit ihre Nützlichkeit stark einschränken. Die OBS besteht größtenteils aus Huminstoffen wie Huminsäuren und Fulvosäuren. Wir nehmen an, dass unterschiedliche Bedingungen und Zusammensetzungen der OBS zu Unterschieden in der lokalen mikroskopischen Umgebung führen und direkt die Verteilung der Schadstoffe, sowie die Struktur und Dynamik von Enzymen beeinflussen. Computermodelle molekularer Systeme ermöglichen es uns auf den mikroskopischen Level hineinzuzoomen und auf die den experimentellen Beobachtungen zugrunde liegenden atomaren Bewegungen und Wechselwirkungen rückzuschließen und sind daher ein ideales Werkzeug um dieses Problem anzugehen. Wir haben vor Kurzem ein Online-Tool zur automatischen Generierung von physikalisch realistischen OBS Modellen, den “Vienna Soil-Organic-Matter Modeler” (VSOMM), entwickelt. Mit dem Modeler werden wir OBS Modelle generieren, die realistischen, experimentell verfügbaren OBS-Proben mit verschiedenen Zusammensetzungen entsprechen und diese mithilfe von Molekulardynamik Simulationen und der Berechnung Freier Energien auf atomarem Level charakterisieren. Wir wollen (1) den Effekt der Bedingungen und OBS-Zusammensetzung, sowie von oxidativen Modifikationen auf die Struktur und Dynamik von in der biologischen Sanierung nützlichen Enzymen studieren und (2) erforschen, wie Sorptionseigenschaften von ausgewählten Schadstoffen von der Zusammensetzung der OBS und den Umweltbedingungen abhängen.