Fachagentur Nachwachsende RohstoffeEin Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Charakterisierung des genetischen und enzymatischen Potentials von Biogas-Mikrobiomen mittels Metaanalyse von Metagenomdatensätzen; Teilvorhaben 1: Phylogenetische und funktionelle Metaanalytik ausgewählter Zielorganismen - Akronym: BIOGAS-GeneMining

Anschrift
Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e. V. (ATB)
Max-Eyth-Allee 100
14469 Potsdam
Projektleitung
Dr. Susanne Theuerl
Tel: +49 331 5699-900
E-Mail schreiben
FKZ
22025717
Anfang
01.08.2019
Ende
28.02.2023
Ergebnisverwendung
Im Rahmen des Projektes wurden zwei Schwerpunkte gesetzt. Im Zusammenhang mit dem ersten Schwer- punkt, der sich mit der Aufklärung der Rolle von Vertretern der Abteilung Actinobacteria im Biogasprozess befasste, zeigten alle Analysen (insgesamt wurden 81 metagenom-assemblierte Genome ausgewertet), dass der Anteil der Abteilung Actinobacteria steigt, je höher der Anteil an Wirtschaftsdüngern in Biogasanlagen ist. Darüber hinaus codierten die meisten der identifizierten Gene für Proteine, die im Kohlenstoff- und Protein- /Aminosäure-Metabolismus involviert sind. Untersuchungen an drei Isolaten dieser Abteilung zeigten, dass die Isolate BRG2-O59AC und Ni1-A1G ein höheres Substratverwertungspotenzial bei 37°C aufweisen, wohin- gegen das Isolat Ni1-A5K bei 42°C aktiver ist. Die Ausprägung des physiologischen Verhaltens von Mikro- organismen ist demzufolge sehr art- und umweltspezifisch. Ähnliches wurde auch im zweiten Schwerpunkt beobachtet, der sich mit der Gattung Proteiniphilum als indikatives Taxon für Prozesstemperaturen =45°C befasste. Die durchgeführten physiologischen Untersuchungen zeigten, dass die drei untersuchten Arten zwar hinsichtlich ihres genetisch-festgelegten Potenzial über eine ähnliche Ausstattung verfügen, die tatsächlich realisierten Funktionen jedoch sehr unterschiedlich sind. Während Proteiniphilum acetatigenes Stamm TB107T eine mesophile Lebensweise bevorzugt, wechselt Proteiniphilum saccharofermentans Stamm M3/6T seine physiologischen Fähigkeiten in Abhängigkeit der Prozesstemperatur, wobei es bei 45°C verstärkt Zucker- alkohole, Aminosäuren, Peptide und organische Säuren verwertet. Im Vergleich dazu zeigte das Isolat NM1- Q1CC verstärkte Substratumsatzraten bei 25°C. Diese Ergebnisse zeigen, dass es für eine genaue Prozess- bewertung und effiziente Prozesssteuerung wichtig ist, die tatsächlich realisierten Funktionen der vorkommenden Arten zu kennen - Informationen, die für zukünftige Modelle zur Prozessvorhersage zwingend erforderlich sind.
Aufgabenbeschreibung
In Biogasanlagen bewirkt eine komplexe mikrobielle Gemeinschaft unter anaeroben Bedingungen den Abbau organischer Biomasse zu energiereichem, methanhaltigem Biogas. Das Verständnis, wie Biogas-Mikrobiome auf Managementmaßnahmen reagieren und wie sich diese Reaktionen auf die Stabilität und Effizienz des Prozesses auswirken, ist von großer Bedeutung. Ein vollumfängliches Prozessverständnis ist derzeit jedoch noch immer erschwert, da ein Großteil der am Prozess beteiligten Mikroorganismen hinsichtlich ihrer Öko- systemfunktionen noch unbekannt ist. Für Studien, die sich mit der Aufklärung der Ökosystemfunktionen von Mikroorganismen befassen, ist ein Abgleich zwischen amplikon- und (meta-)genom-basierten Daten unter Berücksichtigung relevanter Umwelt- parameter ratsam. Diese Herangehensweise bildete die Grundlage für die im Projekt durchgeführten Arbeiten. Zunächst wurde bestimmt welche Mikroorganismen(gruppen) von wissenschaftlichem Interesse mit Praxis- relevanz sind und daher im Rahmen einer strukturierten Betrachtung untersucht wurden. Als Orientierung dienten u.a. die Ergebnisse des dritten bundesweiten Biogas-Messprogramms, in dem eine repräsentative Anzahl der in Deutschland betriebenen landwirtschaftlichen Biogasanlagen untersucht wurde. Im Fokus stand die Einordnung ausgewählter Zielorganismen in das Gesamtgefüge des Biogas-Mikrobioms anhand ihrer genetisch-festgelegten Eigenschaften und tatsächlich realisierten Funktionen. Hierfür wurden zum einen qualitativ-hochwertige, metagenom-assemblierte Genome (MAG) aus verschiedenen Metagenomdatensätzen ausgewertet. Darüber hinaus erfolgte eine eingehende Charakterisierung der genetisch-festgelegten und tat- sächlich realisierten stoffwechselphysiologischen Eigenschaften vorhandener Isolate aus Biogasreaktoren.

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