Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Etablierung eines core-Mikrobioms für Biogasanlagen - Genom-Sequenzierung von Isolaten aus Biogasanlagen und Mapping von Metagenom-Datensätzen (BIOGAS-CORE); Teilvorhaben 5: Hydrolytische Bakterien

Anschrift
Technische Universität München - Wissenschaftszentrum Weihenstephan - Forschungsdepartment Biowissenschaftliche Grundlagen - Lehrstuhl für Mikrobiologie
85354 Freising
Emil-Ramann-Str. 4
Kontakt
Prof. Dr. Wolfgang Liebl
Tel: +49 8161 71-5450
E-Mail: wliebl@wzw.tum.de
FKZ
22007012
Anfang
01.08.2012
Ende
30.09.2015
Aufgabenbeschreibung
1. Ziele: Die Gewinnung von Biogas aus nachwachsenden Roh- und Reststoffen ist wesentlicher Baustein einer nachhaltigen und CO2-neutralen Energieerzeugung. Die für die Biogasgewinnung verantwortliche Mikroflora und ihre Stoffwechselleistungen sind bislang überwiegend nicht wissenschaftlich untersucht. Dies ist jedoch der Schlüssel für die Optimierung der Biogasproduktion. Zur Aufklärung der mikrobiologischen Zusammenhänge sind die erhaltenen Datenmengen aus Mangel an Referenzdaten nicht gut auswertbar. Um moderne DNA-Analytik auch für die Biogasforschung zu erschließen, soll eine Referenzdatensammlung für das Kern- („core") Mikrobiom aufgebaut werden. 2. Arbeitsplanung: (1) Auswahl und Beprobung von repräsentativen Biogasanlagen; (2) Gewinnung von Isolaten für cellulolytische, acidogene, acetogene und stickstoffumsetzende Bakterien sowie für methanogene Archaea; (3) Etablierung neuer Verfahren zur Isolierung von Mikroorganismen aus Biogasreaktoren; (4) Sequenzierung der Genome der Isolate und bioinformatische Auswertung; (5) Sequenzierung von Metagenomen; (6) Datenabgleich und Aufbau einer Referenzdatenbank für das Core-Mikrobiom; und (7) Etablierung einer zeitnahen Diagnostik des Reaktorzustandes mittels MALDI-TOF/MS. Dies soll neue Erkenntnisse zur Biogas-Mikrobiologie liefern. Die entwickelte Referenzdatenbank wird ein wesentlicher wesentlicher Baustein für die effektive Anwendung von OMIK-Technologien zur weiteren Analyse und Optimierung der Biogas-Mikrobiologie sein.
Ergebnisdarstellung
Es wurden verschiedene Strategien zur Isolierung neuer Bakterienstämme aus Biogasanlagen entwickelt und getestet, unter anderem die sogenannte "in sacco"-Methode zur direkten Anreicherung von cellulolytischen Bakterien. Zusätzlich wurde eine Metagenom-Analyse von einer Probe aus dem thermophilen Reaktor durchgeführt, welche zeigte, dass die bakteriellen Phyla Firmicutes, Thermotogae und Bacteroidetes die Biogas-Community dominieren. Neue cellulolytische Bakterien aus dem Phylum Firmicutes konnten isoliert werden. Diese Isolate lieferten neue Genomdaten und damit den Zugang zu einer Vielzahl von Lignocellulose-abbauenden Enzymen für industrielle Anwendungen. Ein Isolat aus jeder bisher unbekannten Gruppe wurde auf seine physiologischen Eigenschaften sowie die cellulolytischen und hemicellulolytischen Enzym-Systeme untersucht. Zudem wurden durch das CeBiTec die Genome dieser Isolate sequenziert und die Daten in die NCBI-Referenzdatenbank eingepflegt. Es wurde erstmals eine große Zahl von C. thermocellum Stämmen aus Biogasanlagen isoliert und die genetische und phänotypische Variation zwischen den Stämmen bestimmt. Eine neuentwickelte Genotypisierungstechnik, die Amplifikation einer Zielsequenz zwischen den Kopien eines mobilen Elements, war das Verfahren mit der höchsten Trennschärfe: Isolate jeder Biogasanlage ergaben ein unterschiedliches Bandenmuster. Unabhängig davon, welche Methode zur Genotypisierung gewählt wurde, zeigten alle Isolate jeder einzelnen Biogasanlage ein identisches Bandenmuster. Es kann daher gefolgert werden, dass in jeder Biogasanlage ein optimal angepasster Stamm von C. thermocellum dominiert. In den meisten Fällen konnten zwei unabhängig gewonnene Isolate aus einer Biogasanlage die gleichen Substrate verstoffwechseln und zeigten ähnliche spezifische Cellulase-Aktivitäten. Auf der anderen Seite unterscheiden sich Stämme aus verschiedenen Biogasanlagen in ihrem Genotypisierungsmuster und den physiologischen Eigenschaften teils erheblich.

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