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 2

Anschrift
Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie
14476 Potsdam
Am Mühlenberg 1
Kontakt
Dr. Joost van Dongen
Tel: +49 331 567 8353
E-Mail: joost.vandongen@mpimp-golm.mpg.de
FKZ
22016311
Anfang
01.08.2011
Ende
31.07.2013
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 Mehanbildung dagegen durch Archaeen. Welche Mikroorganismen genau an der Entstehung von Biogas beteiligt sind, ist jedoch zu großen Teilen unbekannt. Da Kultivierungsversuche immer zu einer Diskriminierung wesentlicher Anteile der mikrobiellen Gemeinschaft führen, sollen in diesem Vorhaben erstmals die cellulolytisch aktiven Mikroorganismen in situ identifiziert werden. Hierzu soll die Technik der Stabile-Isotopen-Markierung (SIP) genutzt werden. Hierfür wird Mais erzeugt, in welchem das nicht radioaktive Kohlenstoffisotop 13C durch Begasung mit 13CO2 angereichert ist. 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 Mais u.a. zur Synthese von DNA und sind so mittels molekulargenetischer Methoden zu identifizieren. In diesem Vorhaben soll die SIP als neuartiges Verfahren zur Charakterisierung der Biogas-Mikrobiologie etabliert werden. Mittels SIP soll eine Inventarisierung der primären Vergärer in der Biogasfermentation erfolgen. Zudem soll der Einfluss von verschiedenen Prozessparametern 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 Clostri-dia 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.

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