Interdisziplinäre Doktorandenprojeke 2025

Foto: Angewandte Mikrobiologie, RWTH Aachen Foto: Angewandte Mikrobiologie, RWTH Aachen

Im Projekt Food4Root wird ein neuer Ansatz für nachhaltiges Düngen in der Landwirtschaft entwickelt. Ziel ist es, den ökologischen Fußabdruck des Sektors zu senken, indem der ineffiziente und flächendeckende Einsatz konventioneller Düngemittel adressiert wird. Herkömmliche Dünger werden oft ohne Einbezug des tatsächlichen Nährstoffbedarfs der Pflanzen ausgebracht, was wiederum zu Nährstoffüberschüssen im Boden führt. Dadurch werden Böden und Gewässer langfristig belastet und die Bodenqualität gemindert. Um das zu verhindern, setzt Food4Root auf biologisch abbaubare Gelkugeln, die Nährstoffe kontrolliert und über einen längeren Zeitraum an die Pflanzenwurzel abgeben. Dadurch wird einerseits das Pflanzenwachstum gefördert, und zeitgleich der Nährstoffverlust in unbepflanzten Bodenbereichen minimiert. Die Gelkugeln bestehen aus natürlichen Biopolymeren, die von Mikroorganismen hergestellt werden. Polyphosphat dient hierbei als Phosphatquelle, während Polyglutamat eine stickstoffhaltige Verbindung darstellt. Diese Nährstoffe sind in ein Gelnetzwerk eingebettet, sodass sie nur durch mikrobielle Aktivität in Wurzelnähe aus ihren polymeren Formen herausgelöst werden.  Durch die gezielte Zugabe von Eisen- und Calciumverbindungen wurde die Stabilität der Kugeln deutlich verbessert, und gleichzeitig konnten so essentielle Spurenelemente in die Gelmatrix eingebettet werden. Nach einem erfolgreichen Produktions-Skale-Up vom Becherglas zum Biorektor wird nun der Einfluss der Kugeln auf das Pflanzenwachstum untersucht. Damit ebnet Food4Root den Weg zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft und leistet einen Beitrag zur Sicherung der globalen Ernährungssicherheit.  

Foto: Illustration der interdisziplinarischen Zusammenarbeit in diesem Projekt, Forschungszentrum Jülich Foto: Illustration der interdisziplinarischen Zusammenarbeit in diesem Projekt, Forschungszentrum Jülich

Das HAIPSs3D-Projekt entwickelte eine extrem kostengünstige mikrofluidische Live-Cell-Imaging-Plattform, indem ein 3D-gedrucktes Open-Flexure-Mikroskop mit KI-basierter Bildanalyse kombiniert wurde. Das Gesamtsystem kostete etwa 300 EUR und ermöglichte die automatisierte Bildaufnahme von mehreren Kultivierungskammern für Live-Cell-Experimente mit Corynebacterium glutamicum. Mithilfe von CellposeSAM und acia-workflows realisierten wir eine automatisierte Segmentierung und die quantitative Bestimmung von Einzelzellparametern, darunter Wachstumsraten von 0,64–0,77 h⁻¹ sowie die erwartete bimodale Zellgrößenverteilung einzelner Zellen. Fokusverlust während der Mikroskopbewegung und eine langsame xy-Verfahrt begrenzten die zeitliche Auflösung, dennoch waren die quantitativen Auswertungen robust, und die Ergebnisse sind in einem Manuskript zur Einreichung zusammengestellt (siehe Anhang). Parallel dazu entwickelten wir genetische Werkzeuge für kontrollierte Phototoxizitätsstudien, indem vier Photosensibilisatoren in induzierbare Expressionsvektoren für C. glutamicum und Pseudomonas putida kloniert wurden, was eine robuste, fein abstimmbare Expression ermöglichte. Viabilitätsassays in Batch-Kulturen (Propidiumiodid) zeigten ausgeprägte, sowohl photosensibilisator- als auch stammabhängige Unterschiede in der Phototoxizität und belegen damit eine präzise Kontrolle lichtinduzierter Zellschädigung. Aus Zeitgründen konnten wir die Low-Cost-Imaging-Plattform und photosensibilisatorbasierte Phototoxizitätsexperimente noch nicht in einer integrierten Studie zusammenführe. Die Projektergebnisse schaffen jedoch eine ausgezeichnete Grundlage, um diesen kombinierten Ansatz in naher Zukunft umzusetzen.