Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Abbauwege pflanzlicher Biomasse in Biogasreaktoren - Etablierung der Stabile-Isotopen-Markierung zur kultivierungsunabhängigen Ermittlung der vorrangig am Abbauprozess beteiligten Mikroorganismen (BIOGAS-SIP); Teilvorhaben 1

Anschrift
Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e. V. (ATB) - Abt. Bioverfahrenstechnik
14469 Potsdam
Max-Eyth-Allee 100
Kontakt
Dr. Michael Klocke
Tel: +49 331 5699-113
E-Mail: mklocke@atb-potsdam.de
FKZ
22006511
Anfang
01.08.2011
Ende
30.11.2013
Aufgabenbeschreibung
In Biogasreaktoren wird pflanzliche Biomasse durch eine artenreiche und dynamische Gemeinschaft der unterschiedlichsten Mikroorganismen abgebaut. Dabei erfolgt der primäre Aufschluss der Biomasse und die Vergärung der Inhaltsstoffe durch Bakterien, die Methanbildung aus den Endprodukten der bakteriellen Gärung dagegen durch Archaeen. Welche Mikroorganismen genau an der Entstehung von Biogas beteiligt sind, ist jedoch in weiten Teilen unbekannt. Da Kultivierungsversuche immer zu einer Diskriminierung wesentlicher Anteile der mikrobiellen Gemeinschaft führen, sollen in diesem Forschungsvorhaben erstmals die cellulolytisch aktiven Mikroorganismen in situ identifiziert werden. Hierzu soll die Technik der Stabile-Isotopen-Markierung (SIP) genutzt werden. SIP ermöglicht als einziges Verfahren die artgenaue Identifizierung der vorrangigen Nutzer des in den Pflanzen gespeicherten Kohlenstoffs. Hierfür wird Mais erzeugt, in welchem das natürlich vorkommende, nicht radioaktive Kohlenstoff-Isotop 13C durch Begasung mit 13CO2 angereichert wird. Dieses Pflanzenmaterial soll dann in miniaturisierten Gärtests fermentiert werden. Mikroorganismen, welche primär am Aufschluss und an der Umsetzung der Biomasse beteiligt sind, verwenden die markierten Kohlenstoffverbindungen aus dem Pflanzensubstrat auch zur Synthese von DNA. Die Isolierung und molekulare Analyse der mikrobiellen DNA ermöglicht dann eine genaue Identifizierung der beteiligten Mikroorganismen. In diesem Vorhaben soll die SIP als neuartiges Verfahren zur Charakterisierung der Biogas-Mikrobiologie etabliert werden. Mittels SIP soll eine Inventarisierung der primären Vergärer der Biogasfermentation erfolgen. Zudem soll der Einfluss von verschiedenen Prozessparametern wie Temperatur und Art des Cosubstrates auf die mikrobielle Gemeinschaft untersucht werden.
Ergebnisdarstellung
In diesem Vorhaben wurde die SIP erfolgreich als neuartiges Verfahren zur Charakterisierung der Biogas-Mikrobiologie etabliert. Optimale 13C-Markierungsraten der mikrobiellen DNA wurden im minia-turisierten batch-Ansatz nach zwei Wochen erreicht. Eine kürzere Zeit ergab keine ausreichende Mar-kierung, eine längere Inkubationsdauer führte zu einer Verteilung der 13C-Isotope in der gesamten Biozönose. Die molekulare Analyse der in der 13C-markierten DNA repräsentierten Mikroorganismen basierend auf dem bakteriellen Gen für die 16S rRNA (rrs) ergab eine deutliche Anreicherung bestimmter Mikro-organismen. Insbesondere wurden in dieser DNA Vertreter aus der taxonomischen Klasse der Clostridia nachgewiesen. Die untersuchten DNA-Sequenzen ließen sich jedoch größtenteils nicht einzelnen, bereits beschriebenen Arten zuordnen. Dieses ist ein deutlicher Beleg dafür, dass viele der am an-aeroben Abbau pflanzlicher Biomasse beteiligten Mikroorganismen noch unbekannt sind. Die Hypothese, dass der Abbau von Cellulose ausschließlich durch Clostridium thermocellum bzw. wenigen, engverwandten Arten durchgeführt wird, konnte nicht bestätigt werden. Die in der 13C-DNA identifizierten rrs-Sequenzen wiesen zu dieser Art nur eine Ähnlichkeit von maximal 84 % auf. Aufgrund des hohen Anteils bislang noch unbekannter Mikroorganismen bei dem anaeroben Abbau von pflanzlicher Biomasse sind weitere Arbeiten zur Kultivierung und physiologischen Beschreibung dieser Mikroorganismen unabdingbar. Die im Rahmen dieses Vorhabens etabliert SIP-Methodik sowie die ermittelten DNA-Sequenzen sind grundsätzlich gut geeignet zur Unterstützung entsprechender Forschungsarbeiten, z.B. in Form einer marker-gestützten Selektion von Isolaten.

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