Mikrobiologie der Fermentation in NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung des Abbaus von Propionsäure

In NawaRo-Biogasanlagen (BGA) kann es durch das Angebot an leicht fermentierbaren Kohlenstoff¬quel¬len zu einer bakteriell bedingten Übersäuerung durch unerwünschte kurzkettige Fettsäuren kommen. Häufiger kommt es zur Akkumulation von Propionsäure. Methanogene Archaea können bei niedrigen pH-Werten nicht mehr wachsen. Somit kann der gesamte Prozess der mikrobiellen Bildung von Biogas zum Erliegen kom¬men, was für die Biogasbetreiber zu erheblichen finanziellen Verlusten führt. Das Ziel dieser Disserta¬tion war die Aufklärung der anaeroben bakteriellen Population, die in Biogasanlagen Propionsäure ab¬bauen kann. Aus Propionat entsteht dabei Acetat und Wasserstoff. Da dieser anaerobe Prozess endergon verläuft, kann Propionsäure anaerob nur abgebaut werden, wenn der Wasserstoffpartialdruck niedrig ge¬halten wird. Diese Aufgabe erfüllen in Biogasanalgen methanogene Archaea. Die sog. sekundären Gärer leben somit in synthropher Kultur mit methanogenen Archaea.rnIn dieser Arbeit wurden die Mikroorganismen von Propionsäure-abbauenden Anreicherungskulturen aus vier NawaRo-BGA‘s identifiziert und ihr Substrat- und Produktspektrum analysiert. Die Anreicherungskul¬turen wurden vom Prüf- und Forschungsinstitut e. V. in Pirmasens zur Verfügung gestellt. Durch Analyse der bakteriellen 16S rDNA-Sequenzen der erhaltenen stabilen Propionsäure-abbauenden Mischkulturen wurde gezeigt, dass sich unter den Bakterien hauptsächlich Verwandte von den Clostridiales, aber auch Bacteroides sp., δ-, ε- so¬wie γ-Proteobakterien, Spirochäten, Synergistales und ungewöhnlicher Weise auch Thermotogales befanden. Aus Propionsäure-abbauenden Mischkulturen und aus Fermentern mesophiler NawaRo-Biogasanlagen wurden anaerobe Bakterien und methanogene Archaea angereichert und isoliert. Es wurden aus den Propionsäure-abbauenden Mischkulturen Stämme in Reinkultur erhalten, die entsprechend der 16S rDNA-Analyse als Clostridium sartagoforme Stamm Ap1a520 und Proteiniphilum acetatigenes Stamm Fp1a520 identifiziert wurden. Sowohl aus Fermentern und Nachgärern von drei NawaRo-BGA‘s als auch aus zwei Laborfermentern des Leibniz-Instituts für Agrartechnik in Potsdam-Bornim e.V. (ATB) wurden Reinkulturen von methanogenen Archaea erhalten. Diese konnten den Species Methanobacterium formicicum, Metha¬noculleus bourgensis, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina sp., Methanosaeta concilii und Methanomethylovorans sp. zugeordnet werden. Damit wurden in dieser Arbeit unter anderem die typischen bisher nur durch molekularbiologische Methoden identifizierten Species methanogener Ar¬chaea aus unterschiedlichen Fermentern in Reinkultur erhalten. Dabei wurde gezeigt, dass die specifically amplified polymorphic DNA-PCR (SAPD-PCR) eine geeignete Methode darstellt, Stämme der gleichen Art methanogener Archaea voneinander zu unterscheiden. Die Methanproduktion der kultivierten methanoge¬nen Archaea wurde gaschromatographisch analysiert. Es zeigte sich, dass die hydrogenotrophe Metha¬nogenese der effizientere und ergiebigere Weg zur Bildung von Methan ist. Mit der Bestimmung der Zellzahl des Isolates Methanoculleus bourgensis Stamm TAF1.1 bei gleichzeitiger Messung der Methanbildung wurde gezeigt, dass die Methanbildung nicht zwangsläufig mit dem Wachstum korreliert. Ne-ben Pflanzenfasern beinhalteten das hergestellte Reaktorfiltrat in den Kultivierungsansätzen Acetat, die essentielle Aminosäure Valin und den Zuckeralkohol Glycerol. Gezielte Misch¬kul¬turen von sekundären Gärern mit methanogenen Isolaten ergaben einen fördernden Einfluss auf diese Bak¬terien durch hydrogenotrophe Archaea. Diese Bakterien bauten Substrate ab oder bildeten Produkte, die sie unter den gegebenen Bedingungen ohne hydrogenotrophe Archaea nicht umsetzen konnten.

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

Chemical and isotopic compositions of ocean authigenic carbonates

Oceanic authigenic carbonates are classified according to origin of the carbonate carbon source using a complex methodology that includes methods of sedimentary petrography, mineralogy, isotope geochemistry, and microbiology. Mg-calcite (protodolomite) and aragonite predominate among the authigenic carbonates. All authigenic carbonates are depleted in 13C and enriched in 18O (in PDB system) that indicates biological fractionation of isotopes during carbonate formation. Obtained results show that authigenic carbonate formation is a biogeochemical (microbial) process, which involves carbon from ancient sedimentary rocks, abiogenic methane, and bicarbonate-ion of hydrothermal fluids into the modern carbon cycle.

Geochemical and biogeochemical parameters of bottom sediments from the area of the Spitsbergen (Svalbard) Archipelago

Quantitative characteristics for rates of diagenetic processes in the upper (0-30 cm) layer of sedimentary deposits in the area of the Spitsbergen (Svalbard) Archipelago (78°-80°N) were obtained by lithologo-geochemical, radioisotope (35S, 14C), and stable isotope (d34S, d13C) studies. It was proved that rates of diagenetic processes in polar deposits at 123-395 m depth affected by the East Spitsbergen ''warm'' current are mostly determined by bioproductivity and are commensurate with rates of processes in shelf deposits of temperate latitudes. High contents of migratory methane (up to 263 ml/dm**3) and isotopically-light organic carbon (Corg, d13C = -30 per mil PDB) were found in the 1 m layer of shelf deposits (at 123 m sea depth) with low bacterial in situ production of methane. It was shown that methane is not utilized in the deposits by the methanotrophic bacterial community and it may be supplied to the water mass and, probably, to the atmosphere.

Biogeochemistry (speciation and isotopes of S and C) in bottom sediments, water and bacterial mats from the White Sea

This publication presents results of microbiological and biogeochemical studies in the White Sea. Material was obtained during a series of expeditions in 1999-2002. The studies were carried out in the open part of the White Sea, in the Onega, Dvina and Kandalaksha Bays, as well as in the intertidal zone of the Kandalaksha Bay. Quantitative characteristics of activity of microbial processes in waters and bottom sediments of the White Sea were obtained. The total number of bacteria was equal to 150000-800000 cells/ml, and intensity of dark CO2 assimilation was equal to 0.9-17 µg C/l/day. Bacterial sulfate reduction was equal to 3-150 mg S/m**2/day, and methane formation and oxidation was equal to 13-6840 and 20-14650 µl CH4/m**2/day, respectively. Extremely high values of intensity of all principal microbial processes were found in intertidal sediments rich in organic matter: under decomposing macrophytes, in local pits at the lower intertidal boundary, and in the mouth of a freshwater brook. Average hydrogen sulfide production in highly productive intertidal sediments was 1950-4300 mg S/m**2/day, methane production was 0.5-8.7 ml CH4/m**2/day, and intensity of methane oxidation was up to 17.5 ml CH4/m**2/day. Calculations performed with account for areas occupied by microlandscapes of increased productivity showed that diurnal production of H2S and CH4 per 1 km**2 of the intertidal zone (August) was estimated as 60.8-202 kg S/km**2/day and 192-300 l CH4/km**2/day, respectively.

Sulfur and carbon in mIcrobial processes in waters and sediments of the Kara Sea in September 2007

Results of microbiological, biogeochemical and isotope geochemical studies in the Kara Sea are described. Samples for these studies were obtained during Cruise 54 of R/V Akademik Mstislav Keldysh in September 2007. The studied area covered the northern, central, and southwestern parts of the Kara Sea and the Obskaya Guba (Ob River estuary). Quantitative characteristics of total bacterial population and activity of microbial processes in the water column and bottom sediments were obtained. Total abundance of bacterioplankton (BP) varied from 250000 cells/ml in the northern Kara Sea to 3000000 cells/ml in the Obskaya Guba. BP abundance depended on concentration of suspensded matter. Net BP production was minimal in the central Kara Sea (up to 0.15-0.2 µg C/l/day) and maximal (0.5-0.75 µg C/l/day) in the Obskaya Guba. Organic material at the majority of stations at the Ob transect predominantly contained light carbon isotopes (-28.0 to -30.18 per mil) of terrigenous origin. Methane concentration in the surface water layer varied from 0.18 to 2.0 µl CH4/l, and methane oxidation rate varied from 0.1 to 100 nl CH4/l/day. Methane concentration in the upper sediment layer varied from 30 to 300 µl CH4/dm**3; rate of methane formation was varied from 44 to 500 nl CH4/dm**3/day and rate of methane oxidation - from 30 to 2000 nl CH4/dm**3/day. Rate of sulfate reduction varied from 4 to 184 µg S/dm**3/day.

Stable isotope ratios and geochemical composition of authigenic carbonates from ODP Sites 186-1150 and 186-1151

Several carbonaceous layers or fragments were recovered from sediments of Sites 1150 and 1151 on the deep-sea terrace of the Japan Trench during Leg 186. The X-ray diffraction analysis (XRD) data indicate that these are predominantly dolomitic. In this study, carbon and oxygen isotopes of these carbonates recovered at Sites 1150 and 1151 are presented. The oxygen isotope ratios of the dolomites analyzed range from +0.4 per mil to +4.1 per mil vs. Peedee formation belemnite (PDB) and those of calcites from +0.6 per mil to +2.8 per mil PDB. The isotopic composition of carbon varies from -7.0 per mil to +12.3 per mil PDB in dolomite and from -13.4 per mil to -24.1 per mil PDB in calcite. The wide range of carbon isotopic compositions indicates that the carbonate samples were formed by the decomposition of organic matter through reactions such as oxidation, sulfate reduction, and methane formation during diagenesis.

Data on multidisciplinary research in the Tajura Rift (Gulf of Aden) during Cruise 7 of R/V Akademik Mstislav Keldysh in winter 1983-1984

In the collective monograph results of geological and geophysical studies in the Tadjura Rift carried out by conventional outboard instruments and from deep/sea manned submersibles "Pisces" in winter 1983-1984 are reported. Main features of rift tectonics, geology, petrology, and geochemistry of basalts from the rift are under consideration. An emphasis is made on lithology, stratigraphy, and geochemistry of bottom sediments. Roles of terrigenous, edafogenic, biogenic, and hydrothermal components in formation of bottom sediments from the rift zone are shown.

Results of biogeochemical studies in the Russian Arctic seas: isotope and radioisotope data

Comprehensive biogeochemical studies including determination of isotopic composition of organic carbon in both suspended matter and surface layer (0-1 cm) bottom sediments (more than 260 determinations of d13C-Corg) were carried out for five Arctic shelf seas: White, Barents, Kara, East Siberian, and Chukchi Seas. The aim of this study is to elucidate causes that change isotopic composition of particulate organic carbon at the water-sediment boundary. It is shown that isotopic composition of organic carbon in sediments from seas with high river run-off (White, Kara, and East Siberian Seas) does not inherit isotopic composition of organic carbon in particles precipitating from the water column, but is enriched in 13C. Seas with low river run-off (Barents and Chukchi Seas) show insignificant difference between d13C-Corg values in both suspended load and sediments because of low content of isotopically light allochthonous organic matter in suspended matter. Biogeochemical studies with radioisotope tracers (14CO2, 35S, and 14CH4) revealed existence of specific microbial filter formed from heterotrophic and autotrophic organisms at the water-sediment boundary. This filter prevents mass influx of products of organic matter decomposition into the water column, as well as reduces influx of OM contained in suspended matter from water into sediments.