Mikrobielle Prozesskontrolle in Biogasanlagen durch Monitoring der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse im Gasbereich

Der zunehmende Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erfordert ein dynamisches Konzept, um Spitzenlastzeiten und Versorgungslücken aus der Wind- und Solarenergie ausgleichen zu können. Biogasanlagen können aufgrund ihrer hohen energetischen Verfügbarkeit und der Speicherbarkeit von Biogas eine flexible Energiebereitstellung ermöglichen und darüber hinaus über ein „Power-to-Gas“-Verfahren bei einem kurzzeitigen Überschuss von Strom eine Überlastung des Stromnetzes verhindern. Ein nachfrageorientierter Betrieb von Biogasanlagen stellt jedoch hohe Anforderungen an die Mikrobiologie im Reaktor, die sich an die häufig wechselnden Prozessbedingungen wie der Raumbelastung im Reaktor anpassen muss. Eine Überwachung des Fermentationsprozesses in Echtzeit ist daher unabdingbar, um Störungen in den mikrobiellen Gärungswegen frühzeitig erkennen und adäquat entgegenwirken zu können. rnBisherige mikrobielle Populationsanalysen beschränken sich auf aufwendige, molekularbiologische Untersuchungen des Gärsubstrates, deren Ergebnisse dem Betreiber daher nur zeitversetzt zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Laser-Absorptionsspektrometer zur kontinuierlichen Messung der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse des Methans an einer Forschungsbiogasanlage erprobt. Dabei konnten, in Abhängigkeit der Raumbelastung und Prozessbedingungen variierende Isotopenverhältnisse gemessen werden. Anhand von Isolaten aus dem untersuchten Reaktor konnte zunächst gezeigt werden, dass für jeden Methanogenesepfad (hydrogeno-troph, aceto¬klastisch sowie methylotroph) eine charakteristische, natürliche Isotopensignatur im Biogas nachgewiesen werden kann, sodass eine Identifizierung der aktuell dominierenden methanogenen Reaktionen anhand der Isotopen-verhältnisse im Biogas möglich ist. rnDurch den Einsatz von 13C- und 2H-isotopen¬markierten Substraten in Rein- und Mischkulturen und Batchreaktoren, sowie HPLC- und GC-Unter¬suchungen der Stoffwechselprodukte konnten einige bislang unbekannte C-Flüsse in Bioreaktoren festgestellt werden, die sich wiederum auf die gemessenen Isotopenverhältnisse im Biogas auswirken können. So konnte die Entstehung von Methanol sowie dessen mikrobieller Abbauprodukte bis zur finalen CH4-Bildung anhand von fünf Isolaten erstmalig in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage rekonstruiert und das Vorkommen methylotropher Methanogenesewege nachgewiesen werden. Mithilfe molekularbiologischer Methoden wurden darüber hinaus methanoxidierende Bakterien zahlreicher, unbekannter Arten im Reaktor detektiert, deren Vorkommen aufgrund des geringen O2-Gehaltes in Biogasanlagen bislang nicht erwartet wurde. rnDurch die Konstruktion eines synthetischen DNA-Stranges mit den Bindesequenzen für elf spezifische Primerpaare konnte eine neue Methode etabliert werden, anhand derer eine Vielzahl mikrobieller Zielorganismen durch die Verwendung eines einheitlichen Kopienstandards in einer real-time PCR quantifiziert werden können. Eine über 70 Tage durchgeführte, wöchentliche qPCR-Analyse von Fermenterproben zeigte, dass die Isotopenverhältnisse im Biogas signifikant von der Zusammensetzung der Reaktormikrobiota beeinflusst sind. Neben den aktuell dominierenden Methanogenesewegen war es auch möglich, einige bakterielle Reaktionen wie eine syntrophe Acetatoxidation, Acetogenese oder Sulfatreduktion anhand der δ13C (CH4)-Werte zu identifizieren, sodass das hohe Potential einer kontinuierlichen Isotopenmessung zur Prozessanalytik in Biogasanlagen aufgezeigt werden konnte.rn

Anaerobic pathways in the Porifera: Strombine dehydrogenase, an opine dehydrogenase, from the sponge Suberites domuncula

The study presented here encompasses identification, analysis and characterization of the strombine dehydrogenase (StDH) from the sponge S. domuncula, on the gene and protein level. StDH is an opine dehydrogenase which is involved in opine production pathways found mainly in marine invertebrates. These anaerobic pathways are regarded as analogues to the classical anaerobic glycolytic pathway (lactate production pathway), which is predominant in vertebrates. The StDH was previously annotated as a tauropine dehydrogenase (TaDH) on the basis of its 68% identity with the TaDH protein from Halichondria japonica. Subsequent enzymatic assays showed that S. domuncula opine dehydrogenase is in fact strombine dehydrogenase which possesses specific characteristics not found in other proteins of the same family. It is described here for the first time the StDH gene in Eukaryotes. Two allelic variants have been identified which are present in the different specimens either as a homozygotic or a heterozygotic. Phylogenetic analyses supported with enzymatic assays indicate that S. domuncula StDH is only distantly related to the opine dehydrogenases from marine invertebrates. StDH showed that the protein is highly specific to glycine and inhibited by the substrate pyruvate. Furthermore, S. domunucla StDH has a dimeric structure (~75 kDa) which is not observed in so far described OpDHs that are monomeric proteins. This enzyme showed similarities to the OCD/mu-cristallyin protein family. Results showed that a sponge StDH is unusual enzyme that belongs to the independent enzyme class. In addition, expression studies revealed that the StDH is down-regulated with aeration. Immunohistology analyses showed high expression of the protein in almost all sponge cells. A strong accumulation of the enzyme was seen around the bacteria indicating that under aerobic conditions the bacteria might metabolize strombine (end product of the reaction). In conclusion, the data documented here shed new light on the anaerobic pathways in marine invertebrates. Potential mutual influences between bacteria and sponge are discussed as well. Hopefully, these results could have a small but important contribution to the better understanding of the evolution in the animal kingdom.