Forschungs- und Innovationsprojekt
Dynamik des Intermediat-Stoffwechsels in Biogasprozessen

Wegen des im anaeroben im Vergleich zu aeroben Prozessen geringen maximal nutzbaren Energiepotenzials sind die verschiedenen Mikroorganismen im Biogasprozess gezwungen, sehr eng und effizient zusammenzuarbeiten. Das äußerst effektive Funktionieren dieser engen metabolischen Interaktionen ist die Grundlage eines stabilen Betriebs einer Biogasanlage und einer hohen Methanausbeute. Insbesondere die kaum bekannten physiologischen Gruppen (Gilden) der Intermediat-Oxidierer arbeiten am Rand der möglichen Energiegewinnung. Ihre Umsetzungen werden thermodynamisch nur in syntropher Assoziation mit methanogenen Archaeen möglich, wenn diese die Reaktionsprodukte (i.e. H2 oder andere Zwischenprodukte) dem Reaktionsgleichgewicht mit CH4 -Bildung entziehen. Im Verbundvorhaben MODISTO arbeiten verschiedene Institutionen zusammen, um den Intermediatstoffwechsel aufzuklären und ein thermodynamisches Modell für Biogasprozesse zu entwickeln.

Vereinfachtes Schema der anaeroben Vergärung

Vereinfachtes Schema der anaeroben Vergärung mit Abbau der organischen Substanz über Hydrolyse/Acidogenese, Sekundärfermentation (Intermediärmetabolismus) und Methanogenese zu Biogas

Zielsetzung

  • Aufklärung des Intermediärstoffwechsels und der für die Umsetzungen verantwortlichen Mikroorganismen bei der Vergärung von Maissilage (im Verbund)
  • Entwicklung bzw. Evaluierung von mikrobiellen/molekularbiologischen Parametern zum quantitativen Nachweis der Gilden und ihrer Aktivität sowie zur Früherkennung von Prozessstörungen (AQU-1c)
  • Entwicklung eines thermodynamischen Prozessmodells, das die intermediären Stoffumsetzungen implementiert (im Verbund)

Methoden

  • Vergärung von Maissilage im einphasigen Durchflussbetrieb (mesophil, thermophil; ILT)
  • Etablierung eines effizienten stabilen Betriebs und Übergang in eine Prozessstörung durch Steigerung der Raumbelastung (ILT)
  • Pulse-Chase-Untersuchungen mit isotopenmarkierter (13C) Maisstreu für metabolische Studien (im Verbund)
  • Qualitative und quantitative Untersuchungen von methanogenen Archaeen und von syntrophen Intermediat-Oxidierern (AQU-1c)
  • Amplikon- und Transkript- sowie Metagenom- und Metatranskriptomanalysen mittels Hochdurchsatz-Sequenzierungsverfahren (im Verbund)

Ergebnisse

  • Maissilage wurde für den Versuchszeitraum bereitgestellt
  • Durchflussfermenter wurden erfolgreich mit Inokulum einer Praxisanlage angefahren
  • DNA- und RNA-Extraktion aus Gärgemisch-Proben wurde optimiert
  • Erste quantitative molekularbiologische Untersuchungen des Anfahrbetriebs wurden durchgeführt
Projektinformation
Verbundvorhaben zwischen der LfL (AQU1c, 1; ILT2a, 2), der Technischen Universität München, LS Mikrobiologie (3), der Leibniz Universität Hannover, Institut für Mikrobiologie (4), der Goethe Universität Frankfurt, Goethe Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (5) und der Genomatix Software GmbH (6)
Projektleitung: Dr. Michael Lebuhn (1), Dr. Fabian Lichti (2), Prof. Wolfgang Liebl (3), Prof. Marcus Horn (4), Prof. Gabriel Wittum (5), Dr. Martin Seifert (6)
Projektbearbeitung: Bernhard Munk, Patricia Velado (1), Diana Andrade, Johanna Barth, Claudia Bieloch (2), Vladimir Zverlov (3), Nadine Rüppel (4), Johannes Schneider (5)
Laufzeit: 01.08.2016 – 31.07.2019
Finanzierung: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, Projektträger FNR
FKZ: 22003513