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Main Title: Impact of management measures on the biogas microbiome on the example of feedstock changes
Translated Title: Einfluss von Managementmaßnahmen auf das Biogas-Mikrobiom am Beispiel von Einsatzstoffwechseln
Author(s): Klang, Eva Johanna
Advisor(s): Theuerl, Susanne
Referee(s): Szewzyk, Ulrich
Schnürer, Anna
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Has Part: 10.14279/depositonce-6002
10.14279/depositonce-9950
Language Code: en
Abstract: Regarding the current political and social-economic situation, the biogas industry in Germany is standing at a crossroad as a transition to a residue-based biogas production is imminent. In future biogas plants, the microbial communities will often be exposed to varying process conditions while an overall stable process has to be ensured. Hence an understanding of how biogas microbiomes response to management measures and how these responses affect to process efficiency is of great importance. Therefore the overall aim of this study was to investigate the impact of feedstock changes on the biogas microbiome structure and deduce potential impacts on the process performance to recommend process operation conditions. The study was separated into three phase: (1) The development of the microbial community during a long-term anaerobic digestion of maize and sugar beet silage (2) The elucidation of a nexus between the microbial diversity level and the stress tolerance potential by supplying animal manure or ammonium carbonate. (3) The verification of the potential of biogas-producing microbiomes to handle a profound feedstock change. This study revealed i.a. that members from the phylum Bacteroidetes and the order Spirochaetales have an affinity to easy degradable compounds such as sugars, ethanol and acetate, the main compounds of the sugar beet silage. Hence they are assumed to play a crucial role in the acido- and acetogenesis, the phase where organic acids are produced. Secondly, this study revealed that a bacterial community with a few dominant members led to a functional more flexible archaeal community (reactors fed with sugar beet silage) which was more stress resistant to elevated TAN concentrations compared to a bacterial community with higher amount of more evenly distributed community members combined with a more rigid archaeal community (reactors fed with maize silage). However, with a careful counteracting, the process could be stably operated with 75% chicken manure (based on VS). Interestingly it was observed that the disappearance of members of the phylum Cloacimonetes can potentially be used as an indicator for an upcoming process disturbance due to increasing TAN concentrations. Last but not least, a profound feedstock exchange from maize silage to sugar beet silage and vice versa resulted in a short-range decrease or increase in the biogas yields according to the chemical feedstock complexity without a longstanding negative impact on the overall biogas production. This indicates that the two feedstocks sugar beet and maize silage potentially do not contain chemical compounds that are difficult to handle during anaerobic digestion compared to the impact the nitrogen-rich chicken manure.
Angesichts der aktuellen politischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Situation steht die Biogasbranche in Deutschland an einem Wendepunkt, da der Übergang zu einer reststoff-basierten Biogasproduktion bevorsteht. Zukünftig werden die mikrobiellen Gemeinschaften häufig variierenden Bedingungen ausgesetzt sein, während ein insgesamt stabiler Prozess gewährleistet sein muss. Das Verständnis, wie Biogas-Mikrobiome auf Management-maßnahmen reagieren und wie sich diese Reaktionen auf die Prozesseffizienz auswirken sind daher von zentraler Bedeutung. Das übergeordnete Ziel dieser Studie war es, den Einfluss von Einsatzstoffvariation auf die Mikrobiomstruktur zu untersuchen und mögliche Auswirkungen auf die Prozesseffizienz und damit Handlungsempfehlungen für eine optimierte Prozess¬führung abzuleiten. Die vorliegende Arbeit wurde in drei Phasen unterteilt: (1) Anpassungspotential einer mikrobiellen Gemeinschaft an die Monofermentation von Mais- bzw. Zuckerrübensilage, (2) Aufklärung eines Zusammenhangs zwischen dem mikrobiellen Diversitätsniveau und der Anpassung an erhöhte Ammoniumkonzentrationen und (3) Auswirkungen eines Wechsels der Einsatzstoff¬e auf die Mikrobiomstruktur und die Prozesseffizient. Ein zentrales Ergebnis dieser Studie ist, dass Vertreter der Abteilung Bacteroidetes und der Ordnung Spirochaetales eine Affinität zu leicht abbaubaren Verbindungen wie Zuckern, Ethanol und Acetat haben, was darauf hindeutet, dass sie eine zentrale Rolle in der Acido- und Acetogenese spielen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Bakterien-gemeinschaft mit wenigen dominanten Mitgliedern zu einer funktionell flexibleren Archaeen¬gemeinschaft führt, die gegenüber erhöhten TAN-Konzentrationen resistenter war als eine gleichmäßig verteilte Bakteriengemeinschaft. Trotz einer kurzzeitigen Prozessstörung konnte ein stabiler Prozessverlauf mit 75% Hühnertrockenkot erreicht werden. Eine Abnahme der relativen Häufigkeit von Mitgliedern der Abteilung Cloacimonetes könnte diese Gruppe als Indikator für eine bevorstehende Prozessstörung aufgrund erhöhter TAN-Konzentrationen kennzeichnen. Nicht zuletzt führte ein Wechsel von Mais- zu Zuckerrübensilage und umgekehrt zu einer kurzfristigen Verringerung oder Erhöhung der Biogaserträge, ohne dass der Gesamtprozess langfristig negativ beeinflusst wurde. Dies weist darauf hin, dass die beiden ausgetauschten Einsatzstoffe keine chemischen Verbindungen enthalten, die während des anaeroben Abbaus im Vergleich zu den Auswirkungen des stickstoffreichen Hühnertrockenkots für das Mikrobiom schwer zu handhaben sind.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11901
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10792
Exam Date: 11-Aug-2020
Issue Date: 2021
Date Available: 26-Jan-2021
DDC Class: 579 Mikroorganismen, Pilze, Algen
Subject(s): biogas
molekular biology
TRFLP
process efficiency
feedstock change
Biogas
Molekularbiologie
Prozesseffizienz
Einsatzstoffwechsel
Sponsor/Funder: DFG, 202567229, Analyse und Modellierung der Biomethanisierung von pflanzlicher Biomasse (BioMetModell)
BMEL, 22013913, Fehlvergärungen und Prozessstörungen in landwirtschaftlichen Biogasanlagen - Etablierung und Umsetzung eines Labor- und Verfahrensprotokolls zur zeitnahen Ursachenaufklärung unter besonderer Berücksichtigung der Systemmikrobiologie
BMEL, 22403915, Biogas-Messprogramm III - TEIL 2: Systemmikrobiologie; Teilvorhaben 1: Mikrobielle Biodiversität
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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