Bioassay zur Bestimmung von Kompostreife

Forschungsprojekt P 13953Bioassay zur Bestimmung von KompostreifeHeribert INSAM11.10.1999 In Europa fallen jährlich 10^9 Tonnen organische Reststoffe an.- Ein erheblicher Anteil davon wird bereits heute durch Kompostierung verwertet. Wahrend Anlagenbetreiber bestrebt sind, die Durchsatzzeiten m6glichst zu reduzieren, können Komposte nur dann erfolgreich vermarktet werden, wenn die Qualitäten und Reifegrade gleichbleibend sind. Traditionelle chemische Reifetests oder Pflanzenwuchstests liefern oft zweifelhafte Aussagen, sind nicht integrativ, oder sind sehr zeitaufwendig. Obwohl Mikroorganismen und deren Aktivität die treibenden Faktoren für Kompostierungsprozesse sind gibt es derzeit keine Reifetests auf mikrobiologischer Basis. Eine neue Methode aus der Umweltmikrobiologie könnte nun diese Lücke schließen. In diesern Projekt sollen Substratnutzungsprofile der Mikroflora, sogenannte `Community Level Physiological Profiles` (CLPPs) genutzt werden. Solche Substratnutzungsprofile haben sich in den letzten Jahren in mehreren Bereichen der mikrobiellen Ökologie, u.a. in der Analyse von Böden oder Sedimenten (siehe z.B. Garland, -1997, FEMS Microbiol Ecol 24, 289-300) durchgesetzt. Kürzlich wurden CLPPs auch zur Beschreibung von Kompost- Mikrofloren erfolgreich verwendet (z.B. Insam et al., 1996, Microb Ecol 31, 77-87). Zusätzlich werden bakterielle Isolate, sowie gesamt-DNA-Extrakte mit molekularen Methoden (amplifikation von 16s rDNA, und Analyse mit denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), Sequenzierung) untersucht, und mit den CLPPs in Beziehung gesetzt. Das Ziel dieses Projektes ist die Erstellung einer Datenbasis zur Entwicklung eines Bioassays auf Basis von mikrobiellen Substratnutzungsprofilen. Es werden drei Kompostwerke (mittlere und große Anlagen) mit gut definiertem Inputmaterial (Bioabfall) und guter Prozeßkontrolle ausgewählt, an denen insgesamt mindestens 8 Kompostierungsläufe studiert werden sollen. Chemische und biologische Standardmethoden (Gehalte an C, NO3,NH4, pH-Wert, Bestimmung der endogenen Wärmefreisetzung und der mikrobiellen Biomasse, Pflanzenwuchstests) werden durchgeführt, weiters wird der Humifizierungsgrad über das C400/C600-Verhältnis bestimmt. Prozeßkontrollparameter wie CO2-, O2-Gehalte, Temperatur und Feuchtigkeit werden in situ gemessen. Weiters werden pathogene Mikroorganismen erfaßt Die Substratnutzungsmuster (CLPPs) werden mit Biolog EcoPlates (Insam und Rangger,. 1997, Microbial Communities, Springer Verlag), die 31 verschiedene Substrate (C-Quellen) enthalten, erfaßt. Extraktions-, Inokulations- und Inkubationsbedingungen werden optimiert, und aus mehreren verschiedenen biomathematischen Auswertemethoden soll diejenige ermittelt werden, die sich am besten für die Etablierung einer Datenbasis für Kompostreife eignet. CLPPs aller Reifestadien sollen mit den traditionellen Parametern, verglichen werden. Es werden ausserdem Zusammenhänge zwischen dominanten Isolaten, bzw. DGGE-Profilen mit den Substratnutzungsmustem hergestellt, wodurch auch kausale Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion der beteiligten Bakterienpopulationen geklärt werden können. Am Ende des Projektes soil eine Datenbasis zur Entwicklung eines Bioassays zur Messung von Kompostreife, validiert anhand von Reifkomposten aus mehreren europäischen Kompostwerken, vorgestellt werden.

Ein erheblicher Anteil der 109 Tonnen organischer Reststoffe, die in Europa jährlich anfallen, wird heute durch Kompostierung verwertet. Während Anlagenbetreiber bestrebt sind, die Durchsatzzeiten möglichst zu reduzieren, können Komposte nur dann erfolgreich vermarktet werden, wenn die Qualitäten und Reifegrade gleichbleibend sind. Traditionelle chemische Reifetests oder Pflanzenwuchstests liefern oft zweifelhafte Aussagen, sind nicht integrativ, und zum Teil sehr zeitaufwendig. Obwohl Mikroorganismen und deren Aktivität die treibenden Faktoren für Kompostierungsprozesse sind, gibt es derzeit noch keine Reifetests auf mikrobiologischer Basis. Das Ziel dieses Projekts war die Erstellung einer Datenbasis zur Entwicklung eines einfachen und schnellen Bioassays auf Basis von mikrobiellen Substratnutzungsprofilen. Die verschiedenen Substratnutzungsprofile der Kompost-Mikrofloren, die sogenannten `Community Level Physiological Profiles` (CLPPs), wurden zur qualitativen Bestimmung unterschiedlicher Komposte herangezogen. Parallel dazu wurden Prozeßkontrollparameter wie pH-Wert, Temperatur und Feuchtigkeit, CO 2 -Gehalt, die mikrobielle Biomasse und Respiration bestimmt. Zusätzlich wurden Kompost-Proben mittels molekularer Methoden, Extraktion der mikrobiellen Gesamt-DNA, Amplifikation von 16S und 18S rDNA, und Analyse und Vergleich der Fragmente mittels Denaturierender Gradienten-Gel-Elektrophorese (DGGE) untersucht. Beprobt wurden sowohl Kompostierungsläufe einer italienischen (Padua, Vigonza) und einer österreichischen Anlage (Völs, Tirol), als auch unterschiedliche Reifkomposte mit gut definiertem Inputmaterial (Bioabfall- und Klärschlammkomposte) verschiedener österreichischer Anlagen. Anhand der gewonnen Daten aus den Substratnutzungstests konnten die unterschiedlichen Komposte, sowohl aufgrund ihres Reifegrades als auch ihrer Input-Materialien, differenziert werden. Mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse war es möglich, Komposte verschiedener Ausgangsmaterialien wie Bioabfall oder Klärschlamm anhand der unterschiedlichen Nutzung der Kohlenstoff-Substrate in den Biolog EcoPlates voneinander zu trennen. Für die Erstellung einer Datenbasis zur Entwicklung eines Schnelltests zur Reifebestimmung waren die Ergebnisse allerdings nicht geeignet, da die große Heterogenität der Ausgangssubstrate maßgeblichen Einfluß auf die Substratnutzungsprofile hatte und dadurch Reifeeffekte überlagert wurden. Die Extraktion und anschließende Amplifikation bakterieller 16S rDNA aus Kompostproben ließ auf äußerst vielfältige Mikroorganismengemeinschaften, sowohl während der Reifung als auch im fertigen Endprodukt schließen. Die Ergebnisse der molekularbiologischen Untersuchungen zeigten deutliche Veränderungen der Gemeinschaften im Verlauf der Kompostreifung. Am Beginn der Kompostierung konnten Sequenzähnlichkeiten mit Enterobacteriaceae- und Lactobacillus-Arten detektiert werden, in der heißen Phase verschob sich das Spektrum Richtung Gram-positiver Arten mit niedrigem G+C-Gehalt, während mit zunehmender Reife die isolierten Sequenzen in die Bacteroides-Cytophaga-Flexibacter-Gruppe eingeordnet werden konnten. Komposte mit unterschiedlichem Ausgangsmaterial konnten auch anhand der Bandenmuster ihrer genetischen Fingerabdrücke voneinander unterschieden werden.