Forschungs- und Innovationsprojekt
Mikrobiologische Diagnose relevanter Teilprozesse in der Biogasproduktion und Frühwarnsysteme

Pflanzenzellen mit angehefteten Bakterien

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer Maisfaser (lila) mit angehefteten Bakterien (orange)

Der Biogasprozess verläuft als komplexes Zusammenspiel von verschiedenen Mikroorganismen, die die eingesetzte Biomasse über vier Stufen (Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese, Methanogenese) zum Energieträger Methan umwandeln.

Neben dem letzten Schritt, der Methanogenese, ist insbesondere der vorgelagerte Prozessschritt, die Oxidation von Zwischenprodukten durch bestimmte Bakterien, störungsanfällig. Sie ist thermodynamisch ungünstig und kann unter Standardbedingungen nur mit Energieeinsatz ablaufen. Durch die Zusammenarbeit dieser syntrophen Bakterien mit methanogenen Archaeen, die die entstehenden Reduktionsäquivalente wie z. B. den produzierten Wasserstoff weiter verstoffwechseln und somit der Reaktion entziehen, können aber beide Partner Energie gewinnen und die Intermediate abbauen.

Zielsetzung

Bisher ist nur ein verschwindend geringer Teil der syntrophen Bakterien bekannt und konnte kultiviert werden. Die Diversität syntropher Bakterien ist aber wesentlich größer als bislang vermutet und soll molekularbiologisch erfasst und klassifiziert werden. Hierzu ist zunächst eine geeignete spezifische Analytik zu entwickeln. Mit dieser sollen unterschiedliche Prozesse untersucht und Bioindikatoren für ihren Zustand entwickelt werden.
Schließlich soll unter Einbeziehung der syntrophen Bakterien ein Prozessstufen-spezifisches molekularbiologisches Diagnose- und Frühwarnsystem, ähnlich dem des bereits bestehenden und evaluierten Systems für methanogene Archaeen (Metabolischer Quotient, cDNA/DNA Verhältnis), aufgebaut und erprobt werden. Hiermit können dann Mangelzustände und Störungen ähnlich wie in der medizinischen Diagnose frühzeitig erkannt und die betroffenen Akteure der Teilprozesse sowie die Ursachen des Problems exakt identifiziert werden. Auf dieser Basis können Gegenmaßnahmen spezifisch und schneller eingeleitet werden.

Methoden

  • Untersucht werden Durchfluss-Laborbiogasanlagen und Praxis-Biogasanlagen im Monitoring des Instituts für Landtechnik und Tierhaltung der LfL mit unterschiedlichen Betriebszuständen.
  • Es werden bioinformatisch Primer zum spezifischen Nachweis von für syntrophe Bakterien wichtigen funktionellen Genen (z.B. fhs, cooS, hydA) und darauf aufbauend qPCR-Assays entwickelt und evaluiert.
  • Mit den Assays wird die Konzentration von syntrophen Bakterien mit qPCR sowie deren Aktivität mit reverse-transcription (RT) qPCR Systemen gemessen.
  • Weiterhin wird die Zusammensetzung der Gilden von syntrophen Bakterien auf DNA- (Gegenwart) und RNA-Ebene (Aktivität) über die Analyse der Nukleinsäuresequenzen untersucht.
  • Nach der Identifikation von Bioindikatoren sollen Frühwarnsysteme vor Prozessstörungen entwickelt werden.

AQU1c_Analysediagramm mit spezifischen Peaks

DNA-Dissoziationskurve unterschiedlicher Verdünnungen eines spezifischen fhs-Standards; die Peaks bei etwa 85 °C dokumentieren die Spezifität der in der qPCR gebildeten Produkte.

Ergebnisse

  • Alignments für das Primerdesign der funktionellen Gene fhs, cooS und hydA) wurden bzw. werden erstellt und veröffentlichte Primer-Systeme auf ihre Spezifität getestet.
  • Mit dem entwickelten fhs-Assay wurden bereits erste positive molekularbiologische Analysen auf DNA- und mRNA-Ebene durchgeführt.
Projektinformation
Kooperation zwischen AQU1c (Mikro-, Molekularbiologie), ILT2a (Fermenterbetrieb)
Projektleitung (Teilprojekt AQU1c): Dr. Michael Lebuhn
Projektbearbeitung (Teilprojekt AQU1c): Bernhard Munk, Elena Madge-Pimentel, Dr. Christoph Bauer, Veronika Dollhofer
Laufzeit: 01.07.2015 – 30.06.2018
Fördernummer: BE/15/08
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie