Microarray für anaerobe Mikroorganismen in Biogasanlagen

Jedes Jahr fallen in der Europäischen Union etwa 200 Millionen Tonnen an städtischem Abfall an, etwa 60 bis 70% davon sind biologisch abbaubar. In den letzten Jahren wurden verschiedenste Versuche, ökologisch einwandfreie Recyclingprozesse zu entwickeln, unternommen. Es existieren aerobe und anaerobe Technologien zum Abbau biologischer Substanzen. Anaerobe Vergärung ist der biologische Prozess für den Abbau organischer Abfälle unter Ausschluß von Sauerstoff bei dem durch eine Vielzahl komplexer bakterieller Reaktionen Biogas produziert wird. Die Produktion von Biogas bietet bedeutende Vorteile in Zeiten der zur Neige gehenden Erdölressourcen und in Anbetracht der dringend werdenden Fragen zum Klimawandel. Anaerobe biologische Abfallbehandlung ist eine attraktive Methode der Abfallbeseitigung, nicht nur Energie produziert werden kann, sondern gleichzeitig Volumen des städtischen Feststoff-Abfalls reduziert, das Abfallprodukt stabilisiert wird und ein wertvoller anaerober Schlamm entsteht, der als Dünger eingesetzt werden kann. Die Leistung eines anaeroben Fermenters hinsichtlich Biogas-Produktion, wird einerseits durch die mikrobielle Gemeinschaft und andererseits durch die chemischen und physikalischen Eigenschaften im Fermenter bestimmt. Um die Leistungsfähigkeit der Biogas-Produktion eines anaeroben Fermenters zu verbessern, ist es unumgänglich, die mikrobiellen Gemeinschaften, die mit den verschiedenen Stufen des Abbauprozesses assoziiert sind, genau zu kennen. Das Ziel dieses Projektes ist es, diese mikrobiellen Gemeinschaften zu erforschen. Genaue Kenntnis der mikrobiellen Gemeinschaften, welche in einem anaeroben Fermentationsprozess vorhanden und aktiv involviert sind, soll zu einem besseren Verständnis anaerober Abbauprozesse führen und helfen aufzuklären, warum es dabei oftmals zu unzureichender Biogasproduktion kommen kann. Diese Kenntnisse sollen die Voraussetzung schaffen, den Biogasertrag in anaeroben Fermentationsanlagen zu verbessern. Meilensteine des Projektes: 1. Erforschung der mikrobiellen Gesellschaften der verschiedenen Stufen im anaeroben Abbauprozess durch Klonierung der 16S rRNA Gene der aus den Proben des anaeroben Abbauprozesses extrahierten DNA 2. Entwicklung eines Microarrays: Design von Oligonukleotidsonden, welche spezifisch für Mikroorganismen (Bacteria und Archaea) des anaeroben Abbauprozesses sind. Die Auswahl der Mikroorganismen erfolgt nach den Resultaten der Klonierung sowie durch Erfahrungswerte aus der Literatur 3. Anwendung des neu entwickelten Microarrays für Schlammproben eines hinsichtlich des Biogasertrages effizient arbeitenden, und eines nicht effizient (niedrige Biogas-Produktion) arbeitenden anaeroben Fermenters. Dadurch soll ermittelt werden, inwiefern die Effizienz in der Biogas-Produktion eines anaeroben Abbauprozesses von der mikrobiellen Zusammensetzung gesteuert wird 4. Anwendung des neu entwickelten Microarrays in unterschiedlich beschickten Fermentern 5. Etablierung des Microarrays als Werkzeug für verbessertes Prozessmanagement anaerober Fermentationsanlagen

Eine nachhaltige und umweltschonende Verwaltung von Ressourcen ist, im Angesicht von Klimawandel und einer schnell wachsenden Weltbevölkerung, eines der wichtigsten Themen des 21 Jahrhunderts. Dabei liegen verschiedenste Technologien und Prozesse im Fokus des öffentlichen und wissenschaftlichen Interesses.Im Zuge der anaeroben Vergärung produziert ein Konsortium von Mikroorganismen (Mikrobiota) Biogas aus verschiedensten organischen Abfällen. Biogas besteht aus bis zu zwei Drittel Methan und kann in einem Blockheizkraftwerk in Strom und Wärme umgewandelt oder nach Aufreinigung in das Erdgasnetz eingespeist werden. Der restliche Anteil des Abfalls als Gärrest bezeichnet findet als landwirtschaftlicher Dünger Verwendung. Die Gesamt- CO2 Bilanz dieses Prozesses ist negativ es wird also mehr CO2 aus der Atmosphäre gebunden als produziert.Die involvierte Mikrobiota ist jedoch äußerst komplex und divers und benötigt sehr spezifische Umweltbedingungen. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten konnte die anaerobe Vergärung noch nicht gänzlich entschlüsselt werden. Vor allem fehlt das Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Mikrobiota aus Bakterien sowie Methanogenen und abiotischen Umweltweinflüssen, die durch Prozessparameter gesteuert werden können. Im Zuge dieses, vom FWF, finanzierten Projekts konnten zwei neue molekularbiologische Analysetools entwickelt und getestet werden, der ANAEROCHIP, zur Detektion von Methanogenen und der BACCHIP zur Entschlüsselung der bakteriellen Gemeinschaft. Diese so genannten Microarrays besitzen ein mikroskopisches Raster, auf dem komplementäre Oligonukleotid-Sequenzen von ribosomalen 16S rRNA Genen sitzen und die Fluoreszenz-markierte DNA der unbekannten Mikroorganismen spezifisch binden. Anhand eines Laserscreenings lassen sich dann Aussagen über Präsenz und Konzentration der detektierten Mikroorganismen treffen. Untersuchung von instabilen Reaktoren offenbarten robuste methanogene Gemeinschaften, die kurze Zeiten von Reaktorstörungen erstaunlich gut überstehen können. Die Zusammensetzung ist dabei divers und stark abhängig von Prozessparametern und dem verwendeten organischem Abfallmaterial.