Zakład Geomikrobiologii

Mikroorganizmy mogą wykorzystywać metale i metaloidy (m.in. w reakcjach utleniania, redukcji, metylacji, kompleksowania) jako źródło energii, ostateczne akceptory elektronów w oddychaniu, elementy budulcowe enzymów, lub też mogą usuwać je poza komórkę wykorzystując różnego typu mechanizmy detoksykacji. Dzięki tym właściwościom mikroorganizmy mogą być wykorzystywane zarówno w procesach biometalurgii, jak i bioremediacji.

Nasza grupa badawcza jest zaangażowana w realizację prac badawczych mających na celu:

• poznanie mechanizmów adaptacji mikroorganizmów do kolonizowania środowisk zanieczyszczonych metalami ciężkimi.
• wykorzystanie wiedzy na temat fizjologii i ekologii mikroorganizmów transformujących metale ciężkie do opracowania nowych technologii z zakresy bioremediacji i biometalurgii.

Jednym z celów naszych badań jest identyfikacja zagrożeń biologicznych (głównie mikrobiologicznych) dla obiektów zabytkowych i muzealnych, a następnie szukanie skutecznych metod zapobiegawczych lub znacząco spowalniających procesy biodeterioracji. Przez długie lata aspekt mikrobiologiczny był w niewielkim stopniu uwzględniany przy pracach konserwatorskich. W ostatnim czasie interdyscyplinarne badania związanie z oddziaływaniem mikroorganizmów na obiekty muzealne zyskują na znaczeniu a pozyskana wiedza w znaczący sposób przyczynia się do poprawy skuteczności zabiegów konserwatorskich.

Skały osadowe są jednym z największych na Ziemi rezerwuarów kopalnego węgla organicznego. Tylko mikroorganizmy są zdolne do degradacji kopalnej materii organicznej zdeponowanej w skałach osadowych, a mikrobiologiczne procesy wietrzenia skał osadowych mają ogromne znaczenie w obiegu węgla na Ziemi. Bioutlenienie kopalnej materii organicznej przez mikroorganizmy może prowadzić do redystrybucji węgla w litosferze, a także może mieć wpływ na skład chemiczny wód i zawartość gazów w atmosferze.

Przykładem kopalnej skały osadowej jest polimetaliczna skała łupkowa występująca na obszarze monokliny przedsudeckiej. Skała ta powstała ok. 256 mln lat temu i należy do jednych z największych na świecie złóż rudy miedzi. Zawartość węgla organicznego w Kupferschiefer wynosi nawet do 30% wag. Kopalna materia organiczna Kupferschiefer to gazotwórczy i ropotwórczy kerogen II.

Celem naszych badań jest detekcja mikroorganizmów zdolnych do przemian kopalnej materii organicznej oraz opisanie szlaków biochemicznych, takich procesów jak:

• utlenienie i odwodornienie kerogenu
• utlenienie kopalnych węglowodorów alifatycznych i aromatycznych
• utlenienie bituminu i mobilizacja węgla organicznego
• bakteryjne przemiany protoporfiryn osadowych
• bakteryjne przemiany geoporfiryn niklowych i wanadylowych
• halogenacja i dehalogenacja kopalnych związków organicznych
• przemiany związków jednowęglowych (metanogeneza, metylotrofia i metanotrofia)

Więcej:

• Agnieszka Włodarczyk, 2019. Bakteryjne procesy utleniania kopalnych węglowodorów i ich znaczenie w przemianach kerogenu i bituminu łupków miedzionośnych z monokliny przedsudeckiej. Praca doktorska pod kierunkiem Renaty Matlakowskiej
• Włodarczyk A., Lirski M., Fogtman A., Koblowska M., Bidziński G., Matlakowska R. 2018. The oxidative metabolism of fossil hydrocarbons and sulfide minerals by the lithobiontic microbial community inhabiting deep subterestrial Kupferschiefer black shale. Frontiers in Microbiology, Evidence of metabolism and metabolic potential in the terrestrial deep subsurface biosphere. DOI: 10.3389/fmicb.2018.00972.
• Stasiuk, R., Włodarczyk, A., Karcz, P., Janas, M., Skłodowska, A., Matlakowska R. 2017. Bacterial weathering of fossil organic matter and organic carbon mobilization from subterrestrial Kupferschiefer black shale – long-term laboratory studies. Microbiol. Rep., doi: 10.1111/1758-2229.12559.
• Włodarczyk A., Matlakowska R. 2017. Mikrobiologiczne procesy utleniania kopalnej materii organicznej miedzionośnego łupka bitumicznego Kupferschiefer (monoklina przedsudecka). Monografia Łupek miedzionośny III, Kowalczuk PB, Drzymała J. (red) WGGG PWr, Wrocław, 19-40.
• Matlakowska R., Skłodowska A. 2011. Biodegradation of Kupferschiefer black shale organic matter (Fore-Sudetic Monocline, Poland) by indigenous microorganisms. Chemosphere, 83, 1255-1261.

Mikroorganizmy żyjące na Ziemi poprzez procesy metaboliczne determinują cykle geochemiczne zachodzące na naszej planecie. Mikrobiologiczne procesy wietrzenia minerałów, a z drugiej strony procesy biogenicznej mineralizacji są kluczowymi komponentami cykli geochemicznych pierwiastków na Ziemi. Szczególną rolę w tych cyklach odgrywają mikroorganizmy zasiedlające podpowierzchniowe warstwy litosfery stanowiące dominującą część wszystkich mikroorganizmów żyjących na Ziemi. Szacuje się, że spośród ok. 5,2 kwintylionów (10³⁰) komórek prokariotycznych znajdujących się we wszystkich ziemskich sferach łącznie, podpowierzchniowe warstwy litosfery stanowią siedlisko życia dla ok. 4,9 kwintyliona z nich, czyli ponad 90%. Są wśród nich zarówno bakterie, jak i archeony należące do różnych grup taksonomicznych oraz reprezentujące różne strategie fizjologiczne i metaboliczne.

Celem naszych badań jest poznanie procesów biowietrzenia minerałów rudnych i skałotwórczych, przebiegających przy udziale enzymów, jak i metabolitów wytwarzanych przez mikroorganizmy, takich jak kwasy organiczne i nieorganiczne, metalofory, związki redoks aktywne i surfaktanty. Dotychczas opisaliśmy m.in.:

• dysymilacyjne utlenienie minerałów siarczkowych (bornit, chalkopiryt, piryt)
• dysymilacyjną i asymilacyjną redukcję związków siarki
• powstawanie siarki pierwiastkowej
• auto- i heterotroficzne wietrzenie osadowych minerałów siarczkowych
• powstawanie wtórnych minerałów siarczkowych i siarczanowych
• mineralizację biologicznie indukowaną prowadzącą do powstania minerałów żelazowych

Więcej:

• Włodarczyk A., Szymańska A., Skłodowska A., Matlakowska R. 2016. Determination of factors responsible for the bioweathering of copper minerals from organic-rich copper-bearing Kupferschiefer black shale. Chemosphere 148, 416-425.
• Włodarczyk A., Stasiuk R., Skłodowska A., Matlakowska R. 2015. Extracellular compounds produced by bacterial consortium promoting elements mobilization from polymetallic Kupferschiefer black shale (Fore-Sudetic Monocline, Poland). Chemosphere 122, 273–279.
• Matlakowska R., Włodarczyk A., Słomińska B., Skłodowska A. 2014. Extracellular elements-mobilizing compounds produced by consortium of indigenous bacteria isolated from Kupferschiefer black shale – implication for metals biorecovery from neutral and alkaline polymetallic ores. Probl. Miner. Process. 50, 87-96.
• Rajpert L., Skłodowska A., Matlakowska R. 2013. Biotransformation of copper from Kupferschiefer black shale (Fore-Sudetic Monocline, Poland) by yeast Rhodotorula mucilaginosa Chemosphere 91, 1257–1265.
• Matlakowska R., Skłodowska A., Nejbert K. 2012. Bioweathering of Kupferschiefer black shale (Fore-Sudetic Monocline, SW Poland) by indigenous bacteria: implication for dissolution and precipitation of minerals in deep underground mine. FEMS Microbiol. Ecol., 81, 99-110.

Prace licencjackie:

• Aleksandra Pieńkowska, 2017. Bakteryjne procesy redystrybucji pierwiastków ziem rzadkich w podziemnym środowisku kopalnianym Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego. Opiekun – Renata Matlakowska
• Agnieszka Bąkowska, 2015. Detekcja i charakterystyka procesów geomikrobiologicznych w kopalni Konrad (blok północnosudecki, Polska) – znaczenie w przemianach biogeochemicznych w podziemnym środowisku kopalnianym. Opiekun – Renata Matlakowska
• Michał Karlicki, 2015. Mikroorganizmy halotolerancyjne zasiedlające kopalnie miedzi monokliny przedsudeckiej – znaczenie w procesach biogeochemicznych w podziemnym środowisku kopalnianym. Opiekun – Renata Matlakowska
• Kacper Maciszewski, 2015. Geomikrobiologia osadu naskalnego na powierzchni łupka bitumicznego Kupferschiefer w podziemnej kopalni miedzi Lubin (monoklina przedsudecka, Polska). Opiekun – Renata Matlakowska

W Polsce południowo-zachodniej na obszarze monokliny przedsudeckiej występuje jedno z największych na świecie podziemnych środowisk kopalnianych. Powstało one w wyniku eksploatacji rudy miedzi prowadzonej od lat 60. XX wieku na obszarze trzech kopalń: Lubin, Rudna i Polkowice-Sieroszowice. Długość podziemnych korytarzy zlokalizowanych na głębokości 300-1200 m szacuje się na kilkadziesiąt tysiecy kilometrów. Unikalność tego środowiska podziemnego determinuje przede wszystkim specyficzna budowa geologiczna złoża powstałego ok. 256 mln lat temu (Loping), które charakteryzuje się dużą zawartością kopalnej materii organicznej (kerogen typu II), a jednocześnie silną mineralizacją oraz polimetalicznością, a także obecność geogazów i zasolonych wód podziemnych.

Prowadzimy interdyscyplinarne badania terenowe oraz laboratoryjne, których najważniejszymi celami jest poznanie:

• różnorodności taksonomicznej mikrobiocenoz zasiedlających środowisko podziemne, w tym mikroorganizmów litobiontycznych
• strategii metabolicznych bakterii, archeonów i grzybów wchodzących w skład mikrobiocenoz
• interakcji międzygatunkowych w obrębie mikrobiocenoz podziemnych
• budowy zewnątrzkomórkowej macierzy i nanostruktur błonowych, a także opisanie ich roli w przemianach biogeochemicznych
• mikrobiologicznych enzymatycznych i nieenzymatycznych przemian organicznych i nieorganicznych związków kopalnego węgla oraz związków siarki, żelaza i azotu
• potencjału biotechnologicznego mikrobiocenoz podziemnych

Więcej:

•  Roszczenko-Jasińska P., Krucoń T., Stasiuk R., Matlakowska R. 2021. Occurrence of XoxF-type methanol dehydrogenases in bacteria inhabiting light lanthanide-rich shale rock. FEMS Microbiol. Ecol. 10.1093/femsec/fiaa259.
• Matlakowska R., Piotrowska W. 2018. Bakterie siarkowe zasiedlające czarny łupek Kupferschiefer i ich znaczenie w przemianach nieorganicznych zredukowanych związków siarki. Monografia Łupek miedzionośny IV. Ratajczak T., Drzymała J. (red) WGGG PWr, Wrocław, 7-23.
• Włodarczyk A., Szymańska A., Bąkowska A., Skłodowska A., Matlakowska R. 2017. Extracellular membrane structures – a component of the epilithic biofilm on the Kupferschiefer black shale. Geomicrobiology Journal, doi: 10.1080/01490451.2016.116362
• Bąkowska A., Karlicki M., Włodarczyk A., Matlakowska R. Geomikrobiologia podziemnych środowisk kopalnianych monokliny przedsudeckiej. 2017. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, 469, 201-2016.
• Matlakowska R., Skłodowska A. 2009. The culturable bacteria from organic-rich black shale of the Fore-Sudetic Monocline (Poland) potentially useful in biometallurgical procedures. Appl. Microbiol., 107, 858-866.

Prace magisterskie:

• Agnieszka Bąkowska, 2017. Budowa proteomiczna i potencjalna rola macierzy zewnątrzkomórkowej maty mikrobiologicznej zdominowanej przez neutrofilne bakterie siarkowe (kopalnia miedzi Polkowice-Sieroszowice). Opiekun – Renata Matlakowska
• Michał Karlicki, 2017. Genetyczna struktura i potencjał chemolitotroficzny maty mikrobiologicznej (kopalnia miedzi Polkowice-Sieroszowice) – charakterystyka przy pomocy najnowocześniejszych technik analiz metagenomu. Opiekun – Renata Matlakowska
• Kacper Maciszewski, 2017, Multitroficzny zespół mikroorganizmów i jego rola w przemianach nieorganicznych związków siarki w środowisku podziemnym (kopalnia Polkowice-Sieroszowice). Opiekun – Renata Matlakowska

Instytucja finansująca: Uniwersytecki Ośrodek Transferu Technologii
Tytuł projektu: Przygotowanie technologii produkcji sproszkowanego preparatu do usuwania węglowodorów ropopochodnych z zanieczyszczonych gleb i wód
Okres realizacji: 2018-2019
Kierownicy: Aleksandra Skłodowska, Krzysztof Poszytek

Instytucja finansująca: DSM
Tytuł projektu: Identyfikacja i mikrobiologiczna degradacja geoporfiryn w łupku bitumicznym Kupferschiefer
Okres realizacji: 2017-2018
Kierownik: Robert Stasiuk

Instytucja finansująca: DSM
Tytuł projektu: Identyfikacja związków metaloorganicznych będących produktami biotransformacji metaloporfiryn niklowych i wanadylowych przez szczep Pseudomonas LM8 za pomocą GC-AED i NMR
Okres realizacji: 2016-2017
Kierownik: Robert Stasiuk

Instytucja finansująca: DSM
Tytuł projektu: Identyfikacja produktów biotransformacji metaloporfiryn niklowych i wanadylowych przez szczep Pseudomonas LM8
Okres realizacji: 2015-2016
Kierownik: Robert Stasiuk

Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Tytuł projektu: Biogeochemiczne transformacje polimetalicznych łupków bitumicznych Kupferschiefer (monoklina przedsudecka) przez mikroorganizmy autochtoniczne – detekcja i identyfikacja długoterminowych procesów w podziemnym środowisku kopalnianym.
Okres realizacji: 2013-2016
Kierownik: Renata Matlakowska

Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Badań i Rozowju
Tytuł projektu: Technologie wspomagające rozwój bezpiecznej energetyki jądrowej. Podstawy zabezpieczenia potrzeb paliwowych polskiej energetyki jądrowej.
Okres realizacji: 2011-2014
Kierownik: Aleksandra Skłodowska

Instytucja finansująca :Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
Tytuł projektu: Procesy biotransformacji związków metaloporfirynowych przez mikroorganizmy zasiedlające miedzionośne łupki bitumiczne Monokliny Przedsudeckiej
Okres realizacji: 2008-2011
Kierownik: Renata Matlakowska

Instytucja finansująca:  MF EOG (Mechanizm Finansowania Europejskiego  Obszaru Gospodarczego)
Tytuł projektu: Rozpoznanie warunków mikrobiologicznych i stabilizacja parametrów klimatu, wewnątrz muzealnego w czasie trwania i po przeprowadzeniu prac remontowo – rewitalizacyjnych w Muzeum Pałac w Wilanowie. W ramach projektu: Program prac konserwatorsko-restauratorskich wraz z koniecznym rozpoznaniem warunków konserwatorsko-mikrobiologicznych w Korpusie Głównym Pałacu w Wilanowie w trakcie trwania i po pracach remontowych.
Okres realizacji: 2007-2008
Kierownik na UW: Aleksandra Skłodowska

Instytucja finansująca: Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
Tytuł projektu: Utylizacja odpadów przemysłu mineralnego z zastosowaniem metod biotechnologicznych oraz stworzenie banku mikroorganizmów potencjalnie użytecznych w biometalurgii
Okres realizacji: 2005-2008
Kierownik: Aleksandra Skłodowska

Instytucja Finansująca: Komisja Europejska w ramach programu FP6
Tytuł projektu­­: Search for a sustainable way of exploiting black shale ores using biotechnologies
Okres realizacji: 2004-2007
Kierownik na UW: Aleksandra Skłodowska

1. Wojcieszak M., Pyzik A., Poszytek K., Krawczyk P.S., Sobczak A., Lipinski L., Roubinek O., Palige J., Skłodowska A., Drewniak L. 2017. Adaptation of methanogenic inocula to anaerobic digestion of maize silage. Frontiers in Microbiology 8: 1881
2. Dębiec K., Rzepa G., Bajda T., Zych L., Krzysztoforski J., Skłodowska A., Drewniak L. 2017. The influence of thermal treatment on bioweathering and arsenic sorption capacity of a natural iron (oxyhydr)oxide-based adsorbent. Chemosphere. 188: 99-109
3. Poszytek K., Pyzik A., Sobczak A., Lipinski L., Skłodowska A., Drewniak L. 2017. The effect of the source of microorganisms on adaptation of hydrolytic consortia dedicated to anaerobic digestion of maize silage. Anaerobe 46: 46-55
4. Drewniak L., Skłodowska A., Manecki M., Bajda T. 2017. Solubilization of Pb-bearing apatite Pb₅(PO₄)₃Cl by bacteria isolated from polluted environment. Chemosphere 171: 302-307
5. Uhrynowski W., Dębiec K., Skłodowska A., Drewniak L. 2017. The role of dissimilatory arsenate reducing bacteria in the biogeochemical cycle of arsenic based on the physiological and functional analysis of Aeromonas sp. O23A. Science of the Total Environment 598: 680-689
6. Dębiec K., Krzysztoforski J., Uhrynowski W., Skłodowska A., Drewniak L. 2016. Kinetics of arsenite oxidation by Sinorhizobium sp. M14 under changing environmental conditions. International Biodeterioration & Biodegradation 119: 476-485
7. Stasiuk, R., Włodarczyk, A., Karcz, P., Janas, M., Skłodowska, A., Matlakowska R. 2017. Bacterial weathering of fossil organic matter and organic carbon mobilization from subterrestrial Kupferschiefer black shale – long-term laboratory studies. Environmental Microbiology Reports, doi: 10.1111/1758-2229.12559
8. Włodarczyk A., Szymańska A., Bąkowska A., Skłodowska A., Matlakowska R. 2017. Extracellular membrane structures – a component of the epilithic biofilm on the Kupferschiefer black shale. Geomicrobiology J. 34, 166-175
9. Włodarczyk A., Matlakowska R. 2017. Mikrobiologiczne procesy utleniania kopalnej materii organicznej miedzionośnego łupka bitumicznego Kupferschiefer (monoklina przedsudecka). Monografia Łupek miedzionośny III, Kowalczuk PB, Drzymała J. (red) WGGG PWr, Wrocław, 19-40.
10. Bąkowska A., Karlicki M., Włodarczyk A., Matlakowska R. 2017. Geomikrobiologia podziemnych środowisk kopalnianych monokliny przedsudeckiej. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, 469, 201-216
11. Włodarczyk A., Szymańska A., Skłodowska A., Matlakowska R. 2016. Determination of factors responsible for the bioweathering of copper minerals from organic-rich copper-bearing Kupferschiefer black shale. Chemosphere 148, 416-425