René Kaden

Mikrobiologische Charakterisierung von Tonrohstoffen unter Berücksichtigung des Alterationsprozesses Mauken

disserta Verlag

René Kaden

Mikrobiologische Charakterisierung von Tonrohstoffen unter Berücksichtigung des Alterationsprozesses Mauken

Kaden, René: Mikrobiologische Charakterisierung von Tonrohstoffen unter Berücksichtigung des Alterationsprozesses Mauken, Hamburg, disserta Verlag, 2011 ISBN: 978-3-942109-57-4 Herstellung: disserta Verlag, ein Imprint der Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2011

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Von der Fakultät für Chemie und Physik der technischen Universität Bergakademie Freiberg genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium.

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Mikrobiologische Charakterisierung von Tonrohstoffen unter Berücksichtigung des Alterationsprozesses „Mauken“

Von der Fakultät für Chemie und Physik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg genehmigte DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium Dr. rer. nat. vorgelegt

von Dipl. Biol. René Kaden geboren am 31.03.1975 in Marienberg

Gutachter: Prof. Dr. Michael Schlömann, Freiberg Prof. Dr. Gernot Klein, Höhr-Grenzhausen

Tag der Verleihung: 26.11.2010

5

Meinem Großvater 1920-2010

7

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeic hnis

Inhaltsverzeichnis ................................................................................................ 9 Abkürzungsverzeichnis ..................................................................................... 13 Zielsetzung ......................................................................................................... 17 1

Einleitung ..................................................................................................... 19

1.1

Tone und Tonminerale ............................................................................ 19

1.2

Tonalteration und Maukprozess ............................................................ 22

1.3

Mikrobiologische Prozesse im Boden..................................................... 27

2

Material und Methoden .............................................................................. 35

2.1

Auswahl der Tonrohstoffe....................................................................... 35

2.2

Abbau und Vorbereitung der Tone........................................................ 35

2.3

Tonsterilisation und DNA-Eliminierung ............................................... 36

2.3.1

Autoklavieren ...................................................................................... 36

2.3.2

AW-Wert Manipulation und Trockensterilisation ................................ 37

2.4

Rheologische Messmethoden .................................................................. 38

2.4.1

Bestimmung der Fließgrenze ............................................................... 38

2.4.2

Bestimmung der Viskosität ................................................................. 39

2.5

Mineralogische Untersuchungsmethoden ............................................. 40

2.5.1

Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)...................................................... 40

2.5.2

ATR-IR Spektroskopie ........................................................................ 40

2.5.3

Röntgenbeugung (XRD) ...................................................................... 41

2.5.4

Ermittlung der Korngrößenverteilung ................................................. 41

2.5.5

Simultane Thermische Analyse (STA)................................................ 41

2.5.6

Bestimmung der Kationenaustauschkapazität (KAK) ........................ 42

9

Inhaltsverzeichnis 2.6 Keramtechnische Methoden ................................................................... 42 2.6.1

Massecharakterisierung mittels Laborstrangpresse ............................. 43

2.6.2

Plastizität nach Pfefferkorn ................................................................. 43

2.6.3

Rheologische Charakterisierung von Rund- und Flachstrangproben.. 43

2.6.4

Texturbeurteilung im Frosttest ............................................................ 44

2.6.5

Bestimmung der Trockenbiegefestigkeit (TBF) ................................. 44

2.6.6

Untersuchung des Brennverhaltens ..................................................... 44

2.7

Kultivierungsmethoden ........................................................................... 45

2.7.1

Sabouraud Agar ................................................................................... 45

2.7.2

R2A(s) und R2A(l) .............................................................................. 46

2.7.3

Cetrimid Agar ...................................................................................... 47

2.7.4

Tonagar ................................................................................................ 47

2.7.5

Dynamisches Kultivierungssystem DCS............................................. 48

2.8

Biochemische Methoden .......................................................................... 50

2.8.1

Biolog .................................................................................................. 50

2.8.2

ApiZym ................................................................................................ 54

2.8.3

Quantitative Bestimmung der Esteraseaktivität .................................. 55

2.9

Physikalische und chemische Basisparameter ...................................... 56

2.10 Nukleinsäureanalytik............................................................................... 58 2.10.1 DNA-Extraktion .................................................................................. 59 2.10.2 Polymerase Kettenreaktion (PCR) ...................................................... 63 2.10.3 Denaturierende Gradienten Gelelektrophorese (DGGE) .................... 67 2.10.4 Sequenzierung und Datenbankrecherche ............................................ 69 2.10.5 Sequenzassembling und taxonomische Analysen ............................... 71 2.11 Versuche.................................................................................................... 72 2.11.1 Optimierung der Gesamt-DNA-Extraktion aus Tonen ....................... 72 2.11.2 Durchführung der Basischarakterisierung ........................................... 73 2.11.3 Durchführung des Maukversuchs ........................................................ 74

10

Inhaltsverzeichnis Ergebnisse und Diskussion ......................................................................... 77

3 3.1

Optimierung molekularanalytischer Methoden ................................... 77

3.2

Sterilisieren und Nukleinsäureelimination ............................................ 90

3.3

Basischarakterisierung der Tone ........................................................... 95

3.3.1

Physikochemische Parameter .............................................................. 95

3.3.2

Mineralogische Basischarakterisierung der Tone ............................... 96

3.3.3

Keramtechnische Basischarakterisierung der Tone .......................... 101

3.3.4

Mikrobiologische Basischarakterisierung der Tone .......................... 103

3.4

Maukversuch .......................................................................................... 121

3.4.1

Änderung physikalisch-chemischer Parameter ................................. 121

3.4.2

Änderungen nanomineralogischer Parameter ................................... 134

3.4.3

Mikrobiologische Veränderungen des Systems ................................ 137

3.4.4

Keramtechnische Veränderungen ...................................................... 170

Zusammenfassung ........................................................................................... 175 Abstract ............................................................................................................ 179 Tabellenanhang ............................................................................................... 183 Abbildungsanhang .......................................................................................... 213 Abbildungsverzeichnis .................................................................................... 215 Literatur ........................................................................................................... 221 Danksagung ...................................................................................................... 243 Lebenslauf ........................................................................................................ 245 Eidesstattliche Erklärung ............................................................................... 247 Vorabpublikationen ........................................................................................ 249

11

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Aufgrund der Allgemeingültigkeit von SI-Einheiten und den Formeln von chemischen Elementen wird auf die Erklärung dieser Abkürzungen verzichtet.

A

Adenin

AOM

anaerobe Oxidation von Methan

APS

Ammoniumpersulfat

ATR

attenuated total reflection (abgeschwächte Totalreflexion)

AW-Wert Activity of Water (Wasseraktivität) AWCD

average well color development (Mittlere Farbentwicklung im Biolog)

bp

Basenpaare; Angabe der Länge der DNA

BMBF

Bundesministerium für Bildung und Forschung

C

Cytosin

Ct

Cycle threshold, Zyklusschwelle in der qRT-PCR

Cu-Trien Cu(II)-Triethylentetramin ddNTP

di- Desoxynukleotid

DEV

Deutsches Einheitsverfahren

DGGE

Denaturierende Gradienten-Gelelektrophorese

DIN

Deutsche Industrienorm

DNA

Deoxyribonucleic acid (Desoxyribonukleinsäure)

dNTP

Desoxyribonukleosidtriphosphate

DOC

dissolved organic carbon (gelöster organischer Kohlenstoff)

E. coli

Escherichia coli

EDTA

Ethylendiamintetraessigsäure

EN

Euronorm 13

Abkürzungsverzeichnis EPS Extrazelluläre Polymere Substanzen Exo-Sap

Gemisch aus Exonuklease 1 und Shrimp Alkaline Phosphatase

FAD

Flavin-Adenin-Dinukleotid

FDA

Fluoresceindiacetat

FGK

Forschungsinstitut für anorganische Werkstoffe Glas und Keramik

FM

Frischmasse

G

Guanin

ICP-OES inductively coupled plasma optical emission spectrometry (optische Emissionsspektrometrie mittels induktiv gekoppelten Plasmas) IFG

Institut für Funktionelle Grenzflächen

IR

Infrarot

ISO

International Standards Organisation

KbE

koloniebildende Einheiten

KAK

Kationenaustauschkapazität

KIT

Karlsruher Institut für Technologie

l

liquid (flüssig)

NAD(P)

Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-(Phosphat)

NCBI

National Center for Biotechnology Information

NS

nuclear small (Amplifikationsort zum Nachweis von Pilzen)

OD

Optische Dichte

PCR

Polymerase Chain Reaction (Polymerase Kettenreaktion)

PBS

Phosphate buffered saline (Phosphatgepufferte Kochsalzlösung)

PhChl

Phenol-Chloroform

PHB

Polyhydroxybutyrat

PHV

Polyhydroxyvalerat

QAC

Quaternary ammonium compounds

RFA

Röntgenfluoreszenzanalyse

RMP

Ribulosemonophosphat

14

Abkürzungsverzeichnis ROC

Residualer organischer Kohlenstoff

qRT-PCR Quantitative Real Time Polymerase Chain Reaction s

solid (fest)

STA

Simultane Thermoanalyse

Stabw.

Standardabweichung

SRB

Sulfatreduzierende Bakterien

T

Thymin

TAE

Puffer aus Tris, Na-Actetat und EDTA

TBF

Trockenbiegefestigkeit

Temed

Tetramethylendiamin

TIC

total inorganic carbon (gesamt- anorganischer Kohlenstoff)

Tm

Schmelztemperatur der Primer

TM

Trockenmasse

TOC

total organic carbon (gesamt- organischer Kohlenstoff)

Tris HCl

Tris(hydroxymethyl)-aminomethan- Salzsäure

TVO

Trinkwasserverordnung

u

unit; Einheit der Enzymaktivität

VE-Wasser demineralisiertes Wasser W1 / W2 Westerwälder Tone 1 und 2 XRD

X-ray defractometry (Röntgenbeugung)

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