Anschrift
Universität Bielefeld
Universitätsstr. 25
33615 Bielefeld
Aufgabenbeschreibung
Gegenstand des Verbundvorhabens ist die Abbildung des Stands der Technik der Biogastechnologie im Rahmen eines bundesweiten Messprogramms unter Berücksichtigung aktueller und zukünftiger Entwicklungen. Dafür wird an einer repräsentativen Anzahl von Anlagen ein detailliertes Monitoring durchgeführt. Das Projekt ist in zwei große Teilbereiche untergliedert. Im Teil 1 „Faktoren für einen effizienten Betrieb von Biogasanlagen" erfolgte die messtechnische Erfassung und Bewertung der Effizienz von Biogasanlagen, des Erfolges von Repowering-Maßnahmen und der Möglichkeiten von Flexibilisierungsmaßnahmen unter Federführung des DBFZ (4 Teilvorhaben). Im Teil 2 „Systemmikrobiologie" erfolgt unter Koordination des ATB die Charakterisierung der Mikrobiologie (3 Teilvorhaben).
Mit dem Vorhaben wird erstmals der Einfluss verfahrenstechnischer Prozessparameter auf die mikrobielle Lebensgemeinschaft in Biogasanlagen unter Verwendung modernster Analysenmethoden untersucht, um die Effizienz und Betriebssicherheit sowie die Nachhaltigkeit von Biogasanlagen zu verbessern. Das Ziel des Monitorings ist es, die Ergebnisse auf den deutschen Anlagenbestand zu übertragen und sowohl Ergebnisse als auch verwendete Methoden der breiten Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen.
Die taxonomische und genetische Biodiversität wird am CeBiTec mittels Hochdurchsatz-Amplikon-Sequenzierung des prokaryontischen 16S rRNA Gens und Sequenzierung des mikrobiellen Metagenoms sowie einer entsprechenden bioinformatischen Datenauswertung ermittelt.
Ergebnisdarstellung
Im Teilvorhaben 2 (Genetische Biodiversität) des Projekts wurden 95 Biogas-Fermenter aus 60 Biogas-Praxisanlagen taxonomisch mit Hilfe der Hochdurchsatz 16S rRNA-Gen Amplikon-Sequenzierung profiliert. Die ausgewählten Biogas-Anlagen unterschieden sich in Bezug auf die Einsatzstoffe, Prozesstechnologie und –führung sowie die entsprechenden Prozessparameter.
Insgesamt wurden in den analysierten Biogasfermentern vier archaeale und 35 bakterielle Phyla identifiziert. Das Phylum Firmicutes dominierte die Bakteriengemeinschaft, gefolgt von Bacteroidetes, Cloacimonetes, Actinobacteria und Tenericutes. Unter den Archaea war das Phylum Euryarcheota dominant. In den 95 analysierten Biogas-Fermentern wurden insgesamt 21.408 verschiedene OTUs (Operational Taxonomic Units) identifiziert. Pro Biogas-Fermenter wurden 2.066 ± 646 OTUs gefunden.
Um tiefere Einblicke in unterschiedliche Biogas-produzierende mikrobielle Gemeinschaften hinsichtlich ihrer taxonomischen Zusammensetzungen und genetischen Ausstattungen zu erhalten, wurden Metagenom-Sequenzierungen durchgeführt. Insgesamt wurden für zehn Biogas-Fermenter von fünf Biogasanlagen metagenomische Datensätze erzeugt. Das funktionelle Profil der jeweiligen Mikrobiome wurde aus den Sequenzdaten abgeleitet. Unterschiede in den funktionellen Profilen der einzelnen Mikrobiome erklärten sich aus den korrespondierenden Prozessparametern. Des Weiteren wurden die Metagenom-Sequenzen assembliert und Genome mittels Binning rekonstruiert (Metagenomically Assembled Genomes,MAGs). Eine taxonomische Eingruppierung der rekonstruierten MAGs ergab, dass viele MAGs bislang unbekannte Spezies repräsentieren. Aus den Genom-Sequenzdaten der Mikrobiom-Mitglieder ließen sich auch Anpassungen an herrschende Reaktor- und/oder Lebensbedingungen ableiten. Vergleichende Analysen der MAG-Abundanzen in unterschiedlichen Reaktoren erlaubten die Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Mikrobiom-Zusammensetzungen und entsprechenden Prozessparametern.
