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Mikrobiologische Diagnose relevanter Teilprozesse in der Biogasproduktion und Frühwarnsysteme (Teilprozessdiagnose)
Projekt
Förderkennzeichen: BE/15/08 5553
Laufzeit: 01.07.2015
- 31.12.2018
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Ende 2014 ist das Vorhaben 'Mikrobiologische Prozessoptimierung in der Biogastechnologie – Diagnostik der mikrobiellen Populationen und Identifizierung von Schlüsselorganismen in Biogas-Fermentern' (K/08/06) abgeschlossen. In der Laufzeit wurden wesentliche Erkenntnisse zum Biogasprozess mit nachwachsenden Rohstoffen und den umsetzenden Mikroorganismen sowie ihren Ansprüchen (z.B. Spurenelementbedarf) gewonnen, veröffentlicht und in die Beratung integriert. Weiterhin wurden molekularbiologische analytische Systeme zur Bestimmung der Gegenwart und der Aktivität (cDNA/DNA-Verhältnis) relevanter physiologischer Gruppen (Gilden) entwickelt, Bioindikatoren für bestimmte Prozesszustände identifiziert sowie ein Frühwarnsystem vor Prozessstörungen (Metabolischer Quotient, MQ) etabliert, das früher und verlässlicher reagiert als der übliche Parameter FOS/TAC. Diese Systeme finden bereits Eingang in die Praxis. Eine Evaluierung z.B. für den in Bayern wichtigen Betrieb mit Grassilage und Gülle sowie für die thermophile Vergärung steht aber noch aus. Während die methanogenen Archaeen (MA), die den letzten Prozessschritt (Methanbildung) durchführen, nun relativ gut untersucht erscheinen, besteht insbesondere für die stromaufwärts aktiven Sekundärfermentierer, noch erheblicher Forschungsbedarf. Nur diese syntrophen Bakterien (SB) können in Kooperation mit den MA den thermodynamisch sonst nicht möglichen Abbau von Fettsäuren und Alkoholen durchführen, die beim Umsatz der organischen Substanz durch die Primärfermentierer (Hydrolyse/Acidogenese) anfallen. Den Ergebnissen von Vorhaben K/08/06 zufolge sind zwar meist die MA, häufig aber auch die SB der Flaschenhals des Gesamtprozesses, Um diese störungsanfälligen syntrophen Prozessschritte untersuchen zu können wurden bereits Schlüsselenzymgene identifiziert (fhs, hydA, cooS) und die bioinformatischen Grundlagen geschaffen, mit denen bzw. auf deren Basis die Gegenwart und Aktivität der SB mit den im Vorhaben K/08/06 entwickelten Methoden analysiert werden soll. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Prozessstufen-spezifischen molekularbiologischen Diagnose- und Frühwarnsystems, mit dem Mangelzustände und Störungen ähnlich wie in der medizinischen Diagnose frühzeitig erkannt und der betroffene Teilprozess exakt identifiziert werden kann. Dies erlaubt es, Prozessstörungen mit u.U. gravierenden ökonomisch/ökologischen Konsequenzen frühzeitig vorzubeugen bzw. gezielt zu bekämpfen und damit den Biogasprozess zu optimieren. 1) Weiterentwicklung des MQ und des Bioindikatorkonzepts mit teilweise noch zu erhebenden Daten aus thermophilen Prozessen und Betrieb mit Grassilage und Gülle. Untersucht werden entsprechend betriebene Versuchsfermenter der LfL (ILT-2a) beim Übergang aus stabilem Betrieb in den Stresszustand und den Prozesszusammenbruch sowie Pilot-Biogasanlagen im Monitoring der LfL (ILT-2c). 2) Schaffung einer umfassenden, verlässlichen Datenbasis zur Untersuchung des Intermediärmetabolismus (syntrophe Teilprozesse) durch Sequenzierung entsprechender, ohne PCR generierter Metagenome und Transkriptome. Gilden-spezifische bioinformatische Auswertung. 3) Entwicklung quantitativer (RT-)qPCR Nachweissysteme auf Basis bekannter Sequenzen und der Ergebnisse von 2) zur Bestimmung der Gegenwart und Aktivität (cDNA/DNA-Verhältnisse) Teilprozess-spezifischer Gilden. Primär stehen fhs, hydA und cooS als relevante Markergene im Fokus der quantitativen molekularbiologischen Analytik. 4) Untersuchung der bei 1) genannten Anlagen und Prozesse sowie von bereits an der LfL (AQU-1c) vorhandenen DNA- und RNA-Extrakten mit den in 3) genannten qPCR und RT-qPCR Systemen zur Berechnung der cDNA/DNA-Verhältnisse und Analyse ihres Verlaufs beim Übergang aus dem stabilem Betrieb in den Stresszustand und den Prozesszusammenbruch. Die Ergebnisse sind Grundlage einer Kausalanalyse, der Identifizierung von Bioindikatoren und der Entwicklung von Frühwarnsystemen, wobei die entsprechenden Ergebnisse von Vorhaben K/08/06 integriert werden.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik
- Nachwachsende Rohstoffe
Förderprogramm
Ausführende Einrichtung
LfL - Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen (AQU)
