Propionsäureabbau in NawaRo-Biogasanlagen

Die Energiewende ist begleitet von dem Ausbau erneuerbarer Energien. Dabei spielt die Energiegewinnung aus Biomasse eine wichtige Rolle. Der optimale Betrieb einer Biogasanlage erfordert eine stabile Methanproduktion, welche jedoch durch die Akkumulation von Propionsäure nachhaltig gestört werden kann. Aus diesem Grund ist der mikrobielle Abbau dieser Substanz von besonderem Interesse. Die Thermodynamik des anaeroben bakteriellen Abbaus von Propionsäure erfordert die syntrophe Verwertung des entstehenden Wasserstoffs durch Wasserstoff-verbrauchende Mikroorganismen, beispielsweise methanogene Archaea.rnMit dem Ziel, die Erkenntnislage der Propionat-Verwertung in NawaRo-Biogasanlagen zu erweitern, sollten Propionat-verwertende Anreicherungskulturen aus NawaRo-Biogasanlagen etabliert, charakterisiert und molekularbiologisch analysiert werden.rnAus landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden reproduzierbar Propionat-verwertende Anreicherungskulturen mittels anaerober Kultivierungstechniken etabliert. Die anaerob Propionat-verwertende Aktivität der Kulturen blieb über Jahre erhalten und konnte unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert werden. Die Analyse der sukzessiven Diversität von vier Anreicherungskulturen ermöglichte einen Einblick in die sich während der Propionat-Verwertung sukzessiv verändernde mikrobielle Diversität. Dabei wurden die aus der 16S rDNA-Analyse resultierenden Sequenzcluster MP-1 (Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp.), MP-6 und MP-15 (beide ''Candidatus Cloacamonas sp. ''), sowie MP-9 (Syntrophobacter sulfatireducens) als potentiell Propionat-verwertende Schlüsselspezies identifiziert. Mit S. sulfatireducens wurde eine bekannte syntroph Propionat-verwertende Spezies gefunden. Die Sequenzen von MP-1 waren nahe verwandt mit Pelotomaculum schinkii, ebenfalls eine beschriebene syntroph Propionat-verwertende Spezies. Bei dem nächsten Verwandten der Cluster MP-6 und MP-15 handelte es sich um ''Candidatus Cloacamonas acidaminovorans'', eine bisher unkultivierbare Spezies, dessen Genom für den gesamten Abbauweg der syntrophen Propionat-Oxidation codiert. Syntrophobacter sulfatireducens kam zusammen mit Vertretern der methanogenen Gattungen Methanoculleus, Methanosaeta und Methanomethylovorans vor. Als methanogener Partner von Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. dominierte die Gattung Methanosarcina. Aufgrund der starken Präsenz der syntroph Acetat oxidierenden Spezies Tepidanaerobacter acetatoxydans (Sequenz-Cluster MP-3), sowie potentiell homoacetogener Arten, wurde zudem ein theoretischer Zusammenhang der Propionat-Verwertung mit der syntrophen Acetat-Oxidation und der autotrophen Homoacetogenese vorgeschlagen.rn

Sustainable energy transition requires increasing energy production from renewable resources. In this respect, biomass degradation offers a flexible approach of decentralized energy generation. Agricultural renewable resource biogas plants generate clean energy through stable methane formation from biomass degradation. Yet, this process can become severely destabilized by propionic acid accumulation. Therefore, microbial propionic acid degradation during anaerobic digestion is of specific interest. It is achieved by obligately mutualistic metabolism (syntrophy) between propionate-oxidizing bacteria and hydrogen disposing microorganisms, e. g. methanogenic archaea.rnIn order to extend the knowledge of propionate degradation in agricultural renewable resource biogas plants, propionate degrading enrichment cultures were to be attained and subsequently analyzed in different aspects.rnPropionate degrading enrichment cultures could be established from different agricultural biogas fermenters. Their propionate degradation performance was studied under variable conditions and remained stable for years. Furthermore, the successive shift of microbial diversity during propionate degradation in batch was investigated in terms of 16S rRNA gene analysis. Sequence clusters MP-1 (Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp.), MP-6 and MP-15 (both ''Candidatus Cloacamonas sp.''), as much as MP-9 (Syntrophobacter sulfatireducens) were identified as potential propionate oxidizing key species. Syntrophobacter sulfatireducens is an isolated species and known for its ability to oxidize propionate in syntrophy. The Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. cluster (MP-1) was closely related to Pelotomaculum schinkii, another syntrophic propionate oxidizing species. The nearest species relation of clusters MP-6 and MP-15 was ''Candidatus Cloacamonas acidaminovorans''. This so far unculturable, yet genomically analyzed species features all the genes involved in syntrophic propionate oxidation. Syntrophobacter sulfatireducens grew in the presence of methanogenic species belonging to the genera Methanoculleus, Methanosaeta and Methanomethylovorans. Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. (cluster MP-1) grew mainly with species of the genus Methanosarcina. Due to the prevalent presence of syntrophic acetate-oxidizing Tepidanaerobacter acetatoxydans (sequence cluster MP-3) as well as potentially autotrophic homoacetogenic bacteria, a theoretical interrelationship between syntrophic propionate oxidation, syntrophic acetate oxidation and autotrophic homoacetogenesis was proposed.rnrn