Mikroorganismen beim anaeroben Phenylsäure-Abbau

Durch die Verbesserung des Substrataufschlusses vor bzw. während des Biogasprozesses können in Biogasanlage zwar die Biogas- und Methanausbeuten deutlich erhöht werden, jedoch kann es im Zuge dessen auch zu einer Anreicherung unerwünschter Nebenprodukte kommen. Letztere können den mehrstufigen Prozess der Methanbildung stören und Ausfälle in Biogasanlagen hervorrufen. Besonders die Vorbehandlung von lignozellulosehaltigen Materialien führt nicht nur zu einem verbesserten Methanertrag, sondern auch zu einer vermehrten Freisetzung von aromatischen Verbindungen, zu denen beispielsweise verschiedene Phenylsäuren wie Phenylacetat, Phenylpropionat oder Phenylbutyrat zählen. Genaue Informationen über die Wirkweise dieser Phenylsäuren auf mikrobielle Biogasreaktorgemeinschaften fehlen jedoch bisher weitgehend. Das Projekt Phenylomicrobe untersucht die Auswirkungen verschiedener Phenylsäuren auf die mikrobiell induzierten biochemischen Prozesse während der anaeroben Vergärung. Von besonderem Interesse sind hier Mikroorganismen aus den anaeroben Abbauphasen Acetogenese und Methanogenese, von welchen erst Acetat (Essigsäure) gebildet und dieses dann zu Methan (CH4) umgewandelt wird. Diese Mikroorganismen sind größtenteils sehr eng vergesellschaftet und stark voneinander abhängig. Diese enge Vergesellschaftung, auch Syntrophie genannt, ist essenziell um Substanzen energiegewinnend für alle beteiligen Partnermikroorganismen umzuwandeln und den gesamten anaeroben Abbau Prozess aufrecht zu erhalten. Diese Mikroorganismen sind jedoch besonders empfindlich gegenüber Phenylsäuren, welche in der Folge den gesamten Methanbildungsprozess zum Erliegen bringen können. Ziel des Projektes ist es daher, die Auswirkungen von Phenylsäuren auf Mikroorganismen der Acetogenese- und Methanogenesephase in Rein- und definierte Mischkulturen auszutesten und zu untersuchen, Strategien zu entwickeln, um die Anreicherung von Phenylsäuren in methanogenen Biogassystemen zu verhindern, und ein mikrobielles Konsortium anzureichern und genau zu beschreiben, das effektiv Phenylsäuren abbauen kann. Durch Kulturvereinzelungsverfahren wird versucht werden, Mikroorganismen, die auch in Reinkultur Phenylsäuren abbauen können, zu isolieren und zu beschreiben. Zur Untersuchung dieser Fragestellungen werden sowohl kulturtechnische, chemisch-analytische als auch molekularbiologische Methoden zum Einsatz kommen.

Die anaerobe Vergärung (anaerobic digestion, AD) von organischen Abfallstoffen ist eine umweltfreundliche, nachhaltige und ressourcenschonende Methode zur Energieerzeugung und hat in den letzten zehn Jahren aufgrund kontinuierlicher technischer Verbesserungen und der Erweiterung des Substratspektrums an Bedeutung gewonnen. Die Verwendung von lokal gesammelten organischen Materialien, die keine potenziellen Nahrungsquellen darstellen, ist im Hinblick auf ein effektives, nachhaltiges und ethisches Energiemanagement sehr wünschenswert. Zu diesem Zweck wurden verschiedene physikalische, chemische oder biologische Vorbehandlungsstrategien entwickelt, um die chemisch gebundene Energie schwer abbaubarer, organischer Abfälle effizient nutzen zu können. Eine verbesserte Zersetzung dieser für die AD vorgesehen Substrate, vor allem der darin oft enthaltenen lignozellulosehaltigen Biomasse aus Grünabfällen, Rasen-, Baum- und Strauchschnitt, sowie die Verwendung proteinreicher Abfälle, birgt jedoch auch Risiken wie die Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Letztere können den mehrstufigen Prozess der Methanbildung stören und ökonomisch relevante Ausfälle in Biogasanlagen hervorrufen. Besonders die Vorbehandlung von lignozellulosehaltigen Materialien führt nicht nur zu einem verbesserten Methanertrag, sondern auch zu einer vermehrten Freisetzung von aromatischen Verbindungen, zu denen beispielsweise verschiedene Phenylsäuren wie Phenylacetat, Phenylpropionat oder Phenylbutyrat (PAA, PPA, und PBA) zählen. Die Ziele des Projektes Phenylomicrobe waren die Untersuchung der i. Auswirkungen von Phenylsäuren auf Rein-, Co- und Mischkulturen während der anaeroben Vergärung ii. Abbaubarkeit von während der AD akkumulierten Phenylsäuren über verschiedene alternative Elektronenakzeptoren und iii. Isolierung und Kultivierung von phenylsäureabbauenden Mikroorganismen Im Zuge des Projektes, in dem sowohl kulturtechnische, chemisch-analytische als auch molekularbiologische Methoden zum Einsatz kamen und in dem 1 Dissertation und 9 Masterarbeiten fertiggestellt werden konnten, wurde gezeigt, dass Phenylsäuren einen Einfluss auf die mikrobielle Substratverwertung sowohl von Rein- und Co-Kulturen, aber auch von Mischkulturen haben. Dieser Effekt war aber organismen- bzw. populations-spezifisch und von der Konzentration der Phenylsäuren abhängig. Betreffend methanogene Reinkulturen, von denen im Projekt 12 auf deren Resilienz gegenüber Phenylsäuren getestet wurden, konnte gezeigt werden, dass sich vor allem acetoklastische Methanoarchaea als empfindlicher gegenüber diesen aromatischen Verbindungen zeigten als hydrogenotrophe. Durch den Einsatz von Mischkultursystemen konnte eine Abhängigkeit eines negativen Effekts von Phenylsäuren auf die Effizienz des AD Vorgangs vom pH-Wert und der Pufferkapazität ebenso nachgewiesen werden wie ein Zusammenhang zur vorherrschenden Abbaustufe, was die Notwendigkeit mikrobielle Redundanzen in den Mikrobiomen von anaeroben Vergärungssystemen als einen sehr wichtigen Faktor identifizierte. Im Gegensatz dazu erwies sich der Einsatz von alternativen Elektronenakzeptoren zur Verbesserung des Abbaus angereicherter Phenylsäuren als nur bedingt sinnvoll, ähnlich wie auch die Veränderung des Temperaturregimes kaum zu einem gesteigerten Verbrauch von Phenylsäuren durch die anaeroben Mikroorganismen führte. Im Zuge des Projektes wurden in äußerst zeit- und arbeitsaufwändigen Ansätzen zum Phenylsäureabbau befähigte Anreicherungskulturen gewonnen und molekularbiologisch (MAGs) beschrieben. Die daraus gewonnen Vereinzelungs- und schlussendlich Reinkulturen wurden ebenfalls untersucht. Hierbei handelte es sich um zum Teil noch nicht beschriebene Mikroorganismen, die in Nachfolgeprojekten beschrieben und weiter untersucht werden sollen.