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Main Title: Monitoring der methanbildenden Mikroflora in Praxis-Biogasanlagen im ländlichen Raum
Translated Title: Monitoring of methane producing microflora in full-scale biogas plants in rual area
Author(s): Nettmann, Edith
Advisor(s): Szewzyk, Ulrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Produktion von Biogas aus landwirtschaftlichen Primärprodukten oder Reststoffen stellt einen we-sentlichen Beitrag zur Reduktion des CO2-Ausstoßes sowie zur Entwicklung einer nachhaltigen Landbewirtschaftung dar. Gegenwärtig stehen im Fokus der Forschung die Entwicklung und Optimierung von Biogasreaktoren und Betriebstechniken sowie die Optimierung der Substratbereitstellung. Über die Zusammensetzung der an der Biogasbildung beteiligten mikrobiellen Lebensgemeinschaften in landwirt-schaftlichen Biogasanlagen gibt es jedoch bis heute nur wenige Informationen. Im Rahmen dieser Studie wurde die Struktur der methanogenen Biozönose in zehn landwirtschaftlichen Biogasanlagen, welche auf Basis von Nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) betrieben wurden, unter-sucht. Hierzu wurde ein polyphasischer Ansatz mit verschiedenen kultivierungsunabhängigen, molekularen Verfahren gewählt. Primär wurde eine PCR-RFLP Analyse der Nukleotidsequenz der 16S rDNA sowie des mcrA Gens durchgeführt. Die Bestimmung der relativen Häufigkeit der Methan bil-denden Mikroorganismen in den Proben erfolgte mittels quantitativer real-time PCR (Q-PCR) auf Basis gruppenspezifischer Primer für das 16S rDNA Gen. Für ausgewählte Biogasreaktoren wurde ergänzend eine mikroskopische Quantifizierung mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) durchgeführt. Für die FISH wurden spezifische Sonden für die Domänen Bacteria (EUB338) und Archaea (ARCH915) so-wie für die Ordnungen Methanomicrobiales (MG1200), Methanobacteriales (MB311 und MB1174) und den Familien Methanosarcinaceae (Ms821) und Methanosaetaceae (Mx825) verwendet. Die Ergebnisse der Analysen zeigten, dass in neun der zehn untersuchten Biogasanlagen die hydroge-notrophen Methanogenen, repräsentiert durch Vertreter der Ordnungen Methanomicrobiales und Methanobacteriales, vorherrschend waren. In diesen Biogasreaktoren wurde die Gattung Methanoculleus (Ordnung Methanomicrobiales) als dominierende Gattung nachgewiesen. Nennenswerte Anteile an ace-toklastischen Methanbildnern, insbesondere der Gattung Methanosaeta, konnten für sechs der untersuchten zehn Anlagen nachgewiesen werden. Jedoch wurde nur in einer Biogasanlage diese Gattung als die dominierende Gruppe von Methanbildnern nachgewiesen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass in 90 % der untersuchten Biogasanlagen die hydrogenotrophe Methanogenese der vorrangige Stoff-wechselweg für die Methanproduktion ist. In dieser Studie konnte kein Zusammenhang zwischen den jeweils zur Biogasgewinnung eingesetzten Substraten und der Struktur der Archaea-Biozönose beobachtet werden. Ebenso wenig scheinen unter-schiedliche Verweilzeiten der Substrate sowie die Raumbelastung der Reaktoren einen Einfluss auf die methanogenen Archaea zu haben. Jedoch ließ sich ein negativer Einfluss hoher Ammonium- bzw. Am-moniakkonzentrationen auf das Wachstum acetoklastischer Methanbildner, insbesondere Methanosaeta spp., in den untersuchten landwirtschaftlichen Biogasanlagen feststellen. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse dienen dem grundlegenden Verständnis der methanoge-nen Lebensgemeinschaft in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, und sollen somit zur weiteren Optimierung der Biogasgewinnung beitragen.
Biogas production from agricultural main products or remnants provides a substantial contribution to the reduction of CO2 emissions but also to the development of a sustainable agriculture. Currently, the re-search focuses on development and optimization of biogas reactors and reactor performance as well as optimization of substrate eligibility. However, the knowledge of the structure and dynamics of microbial communities which are involved in the biogas production is still insufficient. Within this study, the structures of methanogenic biocoenosis in ten agricultural biogas plants which are operated on basis of renewable raw materials were analyzed. Therefore a polyphasic approach with differ-ent culture independent molecular genetic techniques was chosen. First, PCR-RFLP analyses of 16S rDNA and mcrA genes were conducted. For determination of the relative abundance of methane pro-ducing microorganisms in the samples a quantitative real-time PCR (Q-PCR) on basis of 16S rDNA group-specific primers was applied. Fluorescence in situ hybridization (FISH) was carried out for direct quantification of methanogenic cells in reactor contents of six of the ten biogas plants. FISH was carried out with specific probes for the domains Bacteria (EUB338) and Archaea (ARCH915), the orders Metha-nomicrobiales (MG1200) and Methanobacteriales (MB311 and MB1174) and the families Methanosarcinaceae (Ms821) and Methanosaetaceae (Mx825). The results of the analyses showed, that in nine of the ten biogas plants the hydrogenotrophic methano-gens, represented by the orders Methanomicrobiales and Methanobacteriales, were prevalent. The genus Methanoculleus (Methanomicrobiales) was the predominating genus in these biogas plants. Acetoclastic methanogens such as organisms of the genus Methanosaeta were found only in six of the ten analyzed biogas plants. However, in one biogas plant Methanosaeta was determined as the predominant methano-genic group. These results indicate that the hydrogenotrophic methanogenesis was the major metabolic pathway for methane production in 90 % of the analyzed biogas plants. In this study, no correlation between used substrates for biogas production and the structure of Archaea biocoenosis could be observed. Also, the retention time of substrates and the organic loading rate of reac-tors seemed to have no obvious effect on the methanogenic Archaea. However, in the analyzed biogas plants a negative influence of high ammonium and ammonia concentrations, respectively, on the growth of acetoclastic methanogens in particular Methanosaeta spp. was determined. The results of this study serve the basic understanding of the methanogen community in agricultural bio-gas plants and are to contribute to further optimization of biogas production.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26135
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2768
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2471
Exam Date: 13-Nov-2009
Issue Date: 2-Jun-2010
Date Available: 2-Jun-2010
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Archaea
Biogas
Methan
Archaea
Biogas
Methane
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