Diversität, Funktion und molekulare Ökologie der Mikroorganismen

Würdigung der Jury

Es stellt eine zunehmende Anforderung an universitäre Lehre dar, über enge Fachgrenzen hinaus forschungsnah und problemorientiert Wissen zu vermitteln und zu generieren. Das mit einer Shortlist-Platzierung ausgezeichnete Projekt von Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Holger Daims, Univ.-Prof. Dr. Matthias Horn sowie Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Alexander Loy der Universität Wien zur molekularen Ökologie der Mikroorganismen geht von der Schwierigkeit aus, dass das Wissen über Mikroorganismen für angehende Biologinnen und Biologen zwar hoch relevant, doch schwer anschaulich zu machen ist; zudem erfordert die Forschung in diesem Gebiet komplexe molekularbiologische, chemische wie auch physikalische Techniken.

In an sich weitgehend klassischen Formen haben die beteiligten Dozierenden ein Konzept entwickelt, ihre vier einschlägigen Lehrveranstaltungen, die sich an etwa 50 Studierende richten, eng zu verbinden. So werden zwei Vorlesungen, eine Laborübung sowie ein Exkursionsseminar – in der Pandemie konnte letzteres nicht stattfinden – für die Studierenden zu einer gemeinsamen problemorientierten Lehr- und Forschungserfahrung, die begleitet wird von verschiedenen Kompetenzüberprüfungen. Dabei wird den Studierenden Spielraum für Erklärungen, Diskussion und gemeinsame Reflexion geboten, und es werden Präsentations- und Diskussionskompetenzen gefördert.

Die Problemorientierung wie die Vermittlung des Gelernten an die Peers wird konsequent in die Leistungsüberprüfung einbezogen. Ziel ist es, das Erlernen von methodischen Kompetenzen mit der Anwendung auf bestimmte wissenschaftliche und praktische Problemfelder zu verbinden. Damit soll auch ein verstärktes Interesse geweckt und die Relevanz des Gegenstandes wie generell der Notwendigkeit fachübergreifender Kompetenzen vermittelt werden. Das Kurskonglomerat soll fortlaufend weiterentwickelt werden.

Die Jury war vom Vorgehen der Gruppe um Holger Daims überzeugt und sieht darin einen Vorbildcharakter für viele analoge Ausgangslagen. Die Lösung einer engen fachübergreifenden Zusammenarbeit mit einer zugleich problem- und forschungsorientierten Herangehensweise sieht sie als wegweisend an.

Univ.-Prof. Dr. Thomas Grob
Universität Basel

Ziele/Motive/Ausgangslage/Problemstellung

AUSGANGSLAGE

Mikroorganismen sind die artenreichste Lebensform. Sie betreiben die Stoffkreisläufe der Natur, stellen anderen Lebewesen essentielle Nährstoffe zur Verfügung und besiedeln Pflanzen, Tiere und Menschen als Partner in unzertrennlichen Lebensgemeinschaften.

Trotz dieser enormen Bedeutung der Mikroben steht die universitäre Lehre im Fach „mikrobielle Ökologie“ vor großen Herausforderungen. Obwohl allgegenwärtig, entziehen Mikroben sich unserem direkten Blick. Selbst im Mikroskop wirken die Einzeller oft unspektakulär. Ihre Funktionen in der Natur ergeben sich aus komplexen biochemischen Prozessen. Auch können viele Mikroben nicht mit klassischen Methoden der Mikrobiologie im Labor untersucht werden. Um sie zu erforschen, werden komplizierte molekularbiologische, chemische und physikalische Techniken benötigt. Diese Methoden muss man kennen, um die wissenschaftliche Arbeitsweise in der mikrobiellen Ökologie zu verstehen.

Wegen dieser Hürden wirkt die mikrobielle Ökologie auf viele Studierende abstrakt und schwer zugänglich. Darunter leidet potentiell ihre Motivation, sich mit dem Thema zu beschäftigen, die Inhalte werden nicht richtig verstanden und weiterführende Lehrveranstaltungen dazu nicht belegt. Dabei ist die mikrobielle Ökologie ein spannendes, hochaktuelles und potentiell berufsrelevantes Fach. Sie erschließt Einblicke in die Grundlagen des Lebens und neue oder optimierte Anwendungen in Umwelt- und Klimaschutz, Energie- und Landwirtschaft sowie der Medizin.

ZIELE

Das Ziel des Lehrprojekts ist, die genannten Hürden zu überwinden und den Studierenden die Faszination der mikrobiellen Ökologie und ihr Potenzial für eine nachhaltigere Zukunft zu vermitteln. Insbesondere sollen die Studierenden sich das erforderliche Grundwissen aneignen und in der Lage sein, die erlernten Methoden zur Lösung wissenschaftlicher und praktischer Probleme anzuwenden. Das Design der Lehrveranstaltungen und die Leistungsüberprüfung sind, im Sinne des ‚constructive alignments‘, auf diese Studienziele ausgelegt. Stets werden die mikrobiologischen und methodischen Inhalte gemeinsam und anhand realer wissenschaftlicher Studien und Anwendungen dargestellt. So erschließen sich die Zusammenhänge von Methodik, Erkenntnisgewinn und praktischer Umsetzung. Passend dazu müssen die Studierenden zur Leistungsüberprüfung die Inhalte aktiv verknüpfen und auch zur Lösung neuer Probleme anwenden. Großer Wert wird auf Interaktion mit den Lehrenden gelegt, so dass die Studierenden Feedback erhalten und ihre Kenntnisse und Kompetenzen einschätzen und erweitern können. Durch Präsentations- und Diskussionstraining setzen sie sich mit den Inhalten auseinander und werden in fachübergreifenden Kompetenzen gestärkt. Neben der Theorie umfasst das Lehrprojekt Einblicke in die Laborpraxis und in konkrete Anwendungen vor Ort, wodurch die Inhalte weniger abstrakt erscheinen und die Studierenden einen Eindruck von der potentiellen Relevanz des Erlernten für ihre Berufslaufbahn erhalten.

Kurzzusammenfassung des Projekts

Die Mikrobielle Ökologie untersucht die Vielfalt und Funktionen von Mikroorganismen in natürlichen Lebensräumen (Boden, Gewässer, aber auch Mensch, Tiere, Pflanzen) und in technischen Systemen. Da dieses Fachgebiet auf komplexen, mikro- und molekularbiologischen Methoden aufbaut und (bio)chemisches Wissen verlangt, ist es für viele Studierende schwer zugänglich. Dieses Lehrprojekt aus vier Veranstaltungen (zwei Vorlesungen, eine Laborübung, ein Exkursions-Seminar) zielt darauf ab, Studierenden im Bachelorstudium Biologie/Ökologie die Arbeitsweise und Bedeutung der Mikrobiellen Ökologie zu erschließen. Die oft komplizierten Methoden werden ausschließlich im Kontext realer wissenschaftlicher Studien und deren Resultate vorgestellt und die Studierenden wenden das Erlernte zur Problemlösung selbst an. Dies geschieht auf mehreren Ebenen wie Quiz-Einlagen und Diskussionsstunden in den Vorlesungen, Bearbeiten eigener Umweltproben in der Laborübung und vertiefte Analyse publizierter Studien im Seminar. Auch zur Leistungskontrolle wird dieser Ansatz verfolgt, indem theoretische Inhalte zur Lösung gestellter Forschungsprobleme verknüpft werden bzw. Labor-Resultate wissenschaftlich fundiert präsentiert und diskutiert werden müssen. Größter Wert wird auf ständigen Dialog mit den Lehrenden gelegt; darüber hinaus erhalten die Studierenden im Rahmen von Exkursionen Einblicke in praktische Anwendungen der mikrobiellen Ökologie mit potentiell beruflicher Relevanz.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

Microbial ecology studies the diversity and functions of microorganisms in natural habitats (soil, water, but also humans, animals, plants) and in technical systems. Since this scientific field is based on complex, microbiological and molecular biological methods and requires (bio)chemical knowledge, it comes across as abstract and difficult to many students. This teaching project consisting of four courses (two lectures, one laboratory course, one seminar with field trips) aims to provide students in the bachelor's degree program in biology/ecology with an understanding of the working methods, selected key findings, and the overall importance of microbial ecology. The (often complex) methods are always presented in the context of real scientific studies and their results, and students apply what they have learned to solve problems themselves. This is done on several levels such as quizzes and discussion sessions in the lectures, working on own environmental samples in the laboratory course, and in-depth analysis of published studies in the seminar. This approach is also used for performance assessment by linking theoretical content to solve posed research problems or by presenting and discussing laboratory results in a scientifically sound form. Strong focus is put on continuous dialogue with the lecturers. In addition, students gain insights into practical applications of microbial ecology with potential professional relevance during short field trips.

Nähere Beschreibung des Projekts

Das Lehrprojekt besteht aus vier zusammenhängenden Lehrveranstaltungen: den Vorlesungen „Biodiversität und molekulare Ökologie der Mikroorganismen“ Teil 1 (A. Loy) und Teil 2 (H. Daims), der Übung „Fluoreszenz-In-Situ-Hybridisierung“ (H. Daims, M. Horn) sowie dem Seminar „Mikrobiologische Exkursionen“ (H. Daims, M. Horn). Die Lehrenden führen das Projekt in enger Absprache durch. Änderungen werden miteinander abgestimmt um sicherzustellen, dass die Inhalte sich ergänzen und aufeinander aufbauen. Erfahrungen aus der Durchführung werden ausgetauscht und genutzt, um die Veranstaltungen bezüglich der Ziele des Projekts kontinuierlich zu optimieren.

Die Vorlesung „Biodiversität und molekulare Ökologie der Mikroorganismen 1“ macht die Studierenden mit grundlegenden molekularen Arbeitstechniken der mikrobiellen Ökologie vertraut. Diese Methoden dienen der Identifizierung und Quantifizierung von Mikroben in Umwelt- und medizinischen Proben. Erklärt wird der Einsatz der Methoden anhand publizierter Forschung zur Mikrobiologie von Kläranlagen und dem menschlichen Darm. Aufgrund der sich rasch entwickelnden Forschungsmethodik in der mikrobiellen Ökologie wird die Vorlesung jährlich aktualisiert. Zudem wird auf aktuelle Themen eingegangen (z.B. Vorstellung und Diskussion der Rolle von Mikroorganismen im Klimawandel im Rahmen der ‚Open your course for climate crisis‘ Initiative fridaysforfuture.at/oc4cc; Erklärung der PCR-Diagnostik von Sars-CoV-2). Da der umfangreiche Stoff viele Fakten enthält und die Studierenden meist viele Fragen haben, verfolgt die Vorlesung ein darauf ausgerichtetes Konzept. Im Präsenzunterricht (vor der Covid-Pandemie) wurde bereits viel Zeit darauf verwendet, die Inhalte gemeinsam zu diskutieren und auf Fragen einzugehen. Realisiert wurde dies vor jeder Vorlesungseinheit durch Vortragspausen sowie einen extra dafür reservierten Vorlesungstermin am Ende der Vorlesungsreihe. In der Pandemie wurde ein hybrides Lehrkonzept entwickelt. Nun werden die einzelnen Vorlesungen als Videos den Studierenden vor den Terminen per Moodle zum Ansehen zugänglich gemacht. Die Termine selbst sind ausschließlich der gemeinsamen Besprechung der Inhalte jeder einzelnen Vorlesung und den Fragen der Studierenden gewidmet (in Distanz- oder Präsenzform). Dabei ist der Lehrende Moderator und stellt seinerseits auch Fragen an die Studierenden. Somit steht außergewöhnlich viel Zeit für den Dialog sowie Erklärungen des Stoffes zur Verfügung. Diese Gelegenheit wird von den Studierenden sehr gut angenommen. Daher werden wir nach der Pandemie für diese einführende Vorlesung das Konzept mit sehr viel Freiraum zur inhaltlichen Besprechung fortführen. Die Leistungskontrolle erfolgt durch eine schriftliche Prüfung mit Fragen zu den Grundlagen der Arbeitstechniken und ihren Anwendungen.

Die Vorlesung „Biodiversität und molekulare Ökologie der Mikroorganismen 2“ baut auf Teil 1 auf und ist der zentrale theoretische Teil des Lehrprojekts. Hier liegt der Fokus primär auf den ökologischen Funktionen von Mikroorganismen in ausgewählten natürlichen und technischen Systemen. Beispiele dafür sind Kläranlagen zur Abwasserreinigung, gedüngte landwirtschaftliche Böden, die Ozeane und biotechnologische Anwendungen wie die Suche nach neuen Antibiotika. Die Themen werden jeweils anhand realer wissenschaftlicher Forschung der letzten Jahre und im zeitlichen Verlauf dieser Forschung dargestellt. Jedes Kapitel der Vorlesung beginnt daher mit der Entdeckung neuer Mikroorganismen und wird schrittweise vertieft bis hin zur Erkenntnis, was diese neuen Mikroorganismen tun und inwiefern dies für hochaktuelle Themen und Anwendungen (Umwelt- und Klimaschutz, medizinischer Fortschritt) relevant ist. Gemeinsam mit diesen Inhalten werden weitere molekularbiologische und chemisch-physikalische Arbeitstechniken erklärt, deren Einsatz die Forschungsergebnisse erst ermöglicht hat. Die Studierenden erlernen die Methodik des Faches also stets im Kontext konkreter Fragestellungen. Insbesondere werden in späteren Kapiteln auch Kombinationen von Arbeitstechniken aus früheren Kapiteln der Vorlesung dargestellt, wodurch sich Querverbindungen zwischen den Themen ergeben (dieser Aspekt spielt bei der Leistungskontrolle durch Prüfung eine wichtige Rolle, siehe unten). Somit erschließt sich den Studierenden die wissenschaftliche Vorgehensweise gemeinsam mit den mikrobiologischen Inhalten der Vorlesung, und die zunehmende Komplexität der Methoden und biologischen Zusammenhänge wird greifbar. Während der Vorlesung wird regelmäßig ein Live Quiz zu den aktuellen und früheren Inhalten eingestreut (zuerst mit Kahoot, nun QuizAcademy). Das eigene Abschneiden bei der Beantwortung der Fragen und die folgenden Erklärungen der richtigen bzw. falschen Antworten erlauben den Studierenden eine kontinuierliche Reflexion ihrer Kenntnisse und führen zum gezielten Dialog mit dem Lehrenden. Nicht zu unterschätzen ist auch der motivierende und auflockernde Effekt (es gibt nach jedem Quiz eine virtuelle Siegerehrung) und, dass es den Teilnehmer/innen Spaß macht, die Fragen live per Handy-App zu beantworten. Die Leistungskontrolle erfolgt durch eine schriftliche Prüfung am Ende der Vorlesung. Etwa 30% der Fragen beziehen sich auf Faktenwissen, wogegen ca. 70% der Fragen eine zu lösende Problemstellung beinhalten. Ein Beispiel für solche Problemstellungen wäre die funktionelle Untersuchung eines fiktiven, neu entdeckten Mikroorganismus in einer Abwasserprobe. Zur Lösung müssen die Studierenden auf Inhalte verschiedener Themen zurückgreifen und diese miteinander verknüpfen; z.B. geht es oft um Kombinationen von Methoden, die in der Vorlesung in verschiedenen Kapiteln besprochen wurden. Neben den erworbenen Kenntnissen wird so gezielt die Kompetenz der Studierenden geprüft, das Erlernte zur Lösung neuer und im Forschungsalltag realistischer Probleme anzuwenden. Diese Vorgehensweise in der Prüfung entspricht dem oben dargestellten Anspruch der Vorlesung, Brücken zwischen den Themen zu bauen und die Neugier der Studierenden auf die Forschung und Anwendungen in der mikrobiellen Ökologie zu wecken.

Für die Ausbildung in der mikrobiellen Ökologie ist Laborpraxis essentiell. In der Übung „Fluoreszenz-In-Situ-Hybridisierung“ wenden die Studierenden molekularbiologische Arbeitstechniken an, die in den Vorlesungen (s.o.) thematisiert wurden. Die zweiwöchige Übung besteht aus vertiefenden Vorträgen der Lehrenden zu den Methoden, der Laborpraxis und einem Seminar. Zum praktischen Teil bringen die Studierenden eigene Proben mit (z.B. Teichwasser, Aquarienwasser, Lebensmittelproben usw.). Die Proben werden im Praktikum individuell bearbeitet, um darin vorhandene Mikroorganismen zu identifizieren und mikroskopisch nachzuweisen. Somit erlernen und verinnerlichen die Studierenden die Techniken durch Anwendung auf eine eigene, spezifische Fragestellung. Zu den Experimenten fertigen die Studierenden ein schriftliches Protokoll inkl. Zitate und Bibliographie an (wahlweise auf Deutsch oder Englisch) und üben so das Verfassen eines wissenschaftlichen Textes vor dem Hintergrund guter wissenschaftlicher Praxis. Im Seminar halten die Studierenden Kurzvorträge auf Deutsch oder Englisch zu thematisch passender, publizierter Forschung (Primärliteratur). Die vorgestellten Studien werden mit den anderen Teilnehmer/innen und Lehrenden diskutiert. Zur Leistungskontrolle werden die praktische Mitarbeit, das Protokoll und der Vortrag bewertet. Außerdem gibt es zu Beginn der Labortage Vorbesprechungen, in denen jeweils zufällig ausgewählte Studierende den theoretischen Hintergrund und die Durchführung der geplanten Experimente im Dialog mit den Lehrenden besprechen und Fragen dazu beantworten. Dies erfordert entsprechende Vorbereitung der Studierenden und vermeidet allfällige Wissenslücken im Vorfeld der Laborpraxis. Die individuelle Leistung in den Vorbesprechungen geht in die Gesamtnote ein. Das Konzept der Übung zielt konsequent darauf ab, die Studierenden durch Bearbeitung eines eigenen kleinen Projekts mit der Wissenschaft vertraut zu machen. Lehrinhalte und Leistungskontrolle ergänzen sich optimal und Kernaspekte naturwissenschaftlichen Arbeitens – experimentieren, protokollieren, zitieren, präsentieren und diskutieren – werden geübt.

Das Seminar „Mikrobiologische Exkursionen“ schlägt Brücken vom Vorlesungs- und Laborübungsinhalt zu praktischen Anwendungen, für welche die mikrobielle Ökologie relevant ist. Basierend auf ausgewählter Primärliteratur recherchieren die Studierenden zu Themen mit Anwendungsbezug und halten Vorträge auf Deutsch oder Englisch. Inhaltlich nah verwandte Themen werden jeweils von Gruppen aus zwei bis vier Studierenden präsentiert. Der wissenschaftliche Hintergrund und die Anwendungen werden dabei in Bezug gesetzt. Nach den Vorträgen werden die Themen gemeinsam diskutiert, wobei die Diskussion von der jeweils vortragenden Gruppe moderiert wird. Die Studierenden gestalten so das Seminar aktiv mit. Großer Wert wird auf Feedback zum Präsentationsstil gelegt. Zu jedem Vortrag füllen alle Teilnehmer/innen anonym Evaluierungsformulare aus. Kriterien sind die Foliengestaltung, die Qualität der mündlichen Darstellung und die thematische Klarheit. Die Formulare werden den Vortragenden gesammelt übergeben. Zusätzlich erhalten die Vortragenden individuelles Feedback von den Lehrenden zum Stil und der thematischen Gestaltung der Präsentation sowie zu möglichen Optimierungen. Passend zu den Seminarthemen finden eintägige Exkursionen zu Firmen und Institutionen statt, um den Studierenden Einblicke in die Praxis mikrobiologischer Anwendungen zu ermöglichen. Beispiele sind die biologische Abwasserreinigung, die Lebensmittelproduktion und die mikrobiologisch-medizinische Diagnostik. Die Leistungsbewertung erfolgt auf Basis der Vorträge sowie der Moderation und Beteiligung an den Diskussionen und umfasst so neben den fachlichen Inhalten auch fachübergreifende Kompetenzen.

Nutzen und Mehrwert

Für Studierende, die alle vier Lehrveranstaltungen besuchen, hat das Lehrprojekt den erheblichen Mehrwert, dass die Lehrveranstaltungen aufeinander aufbauen und sich ergänzen, was eine deutliche Lernerleichterung mit sich bringt. Verbessert wird unserer Erfahrung nach das konzeptionelle Verständnis der mikrobiellen Ökologie, der Forschungsmethoden sowie der wissenschaftlichen Forschung und der praktischen Anwendungen auf diesem Arbeitsgebiet. Sehr deutlich wird dies vor allem in späteren Studienabschnitten, wenn wir einen Teil der Studierenden im Rahmen ihrer Bachelorarbeiten oder des Masterstudiums weiter betreuen.

Das Lehrprojekt bewirkt jedoch keine Zeitersparnis und keine Reduktion des Verwaltungsaufwands im Vergleich zu isolierten Lehrveranstaltungen (dies war auch kein Ziel des Projekts).

Nachhaltigkeit

Verschiedene Aspekte des Lehrprojekts sind problemlos auf andere Lehrveranstaltungen übertragbar. Die interaktive Gestaltung der Vorlesungen kann für Vorlesungen mit ähnlicher Hörer/innenzahl übernommen werden, wäre jedoch in der von uns praktizierten Form für Massenvorlesungen weniger geeignet. Die Leistungskontrolle in der Übung durch individuelle, tägliche Vorbesprechungen ist leicht auf andere Übungen übertragbar und wird von uns im Rahmen des Masterstudienganges in mikrobieller Ökologie ebenfalls eingesetzt. Gleiches gilt für die interaktive Gestaltung des Seminars inkl. der Moderation und des gegenseitigen Feedbacks der Teilnehmer/innen. Grundsätzlich ließe sich das forschungsgeleitete Lehr- und Prüfungskonzept dieses Projekts, in welchem Methodik und daraus folgender Erkenntnisgewinn sowie Anwendungen stets im Kontext dargestellt und erlernt werden, mit Sicherheit auf weitere, inhaltlich aufeinander aufbauende Lehrveranstaltungen in den Lebenswissenschaften übertragen.

Ein langfristiger Einsatz des Lehrprojekts in der beschriebenen Form ist geplant. Anpassungen werden kontinuierlich vorgenommen; dies betrifft fachliche Inhalte (Aktualisierung) und Verbesserungen bei der Durchführung der Lehrveranstaltungen basierend auf Studierenden-Feedback.

Aufwand

Die Durchführung der laborpraktischen Übung während der Covid-Pandemie in angepasster, das Infektionsrisiko reduzierender Form hat zusätzlichen Planungsaufwand verursacht.

Das Seminar „Mikrobiologische Exkursionen“ konnte in der Pandemie leider nicht angeboten werden, weil die für diese Veranstaltung sehr wichtigen Exkursionen auch aufgrund der Sicherheitsregeln bei externen Einrichtungen nicht durchführbar waren. Ab dem WS 2022/23 wollen wir das Seminar wieder anbieten, wenn die Pandemiesituation es soweit erlaubt. Je nach Lage kann das zusätzlichen Aufwand bedeuten (Planung der Exkursionen, Abstimmung mit den besuchten Einrichtungen bzgl. Sicherheitsvorkehrungen).

Positionierung des Lehrangebots

Das aus vier zusammenwirkenden Lehrveranstaltungen bestehende Lehrprojekt richtet sich primär an Studierende im Bachelorstudium Biologie, Schwerpunkt Ökologie (3.-6. Semester). Die Lehrveranstaltungen werden jedoch auch von Studierenden anderer Schwerpunkte des Bachelorstudiums Biologie sowie von Studierenden aus verschiedenen Masterstudiengängen der Lebenswissenschaften belegt.

Links zum Projekt