Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

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Projektbeschreibung

FÖRDERKENNZEICHEN: 22028811 01.11.2011 bis 31.10.2013
Verbundvorhaben: Prozessmikrobiologie in landwirtschaftlichen Biogasanlagen - Ermittlung der mikrobiellen Diversität sowie von hauptsächlichen verfahrenstechnischen Einflussfaktoren auf die Mikroflora (BIOGAS-BIOCOENOSIS); Teilvorhaben 3
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg - Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik - Institut für Verfahrenstechnik - Bioprozesstechnik
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg
Prof. Dr.-Ing. Udo Reichl
Tel: +49 391-67-58401
E-Mail: udo.reichl@vst.uni-magdeburg.de

Aufgabenbeschreibung:
In Biogasanlagen bewirkt eine komplexe und dynamische mikrobielle Lebensgemeinschaft den Aufschluss und Abbau der organischen Biomasse zu methanhaltigem Biogas. Der Großteil der beteiligten Mikroorganismen ist bislang jedoch noch unbekannt, ebenso ihr Einfluss auf die Reaktoreffizienz. Parallel zu dem bereits durch die FNR geförderten Forschungsvorhabens BiogasEnzyme (FKZ 22027707) soll ein begleitendes Monitoring der Prozessmikrobiologie in ausgewählten landwirtschaftlichen Biogasanlagen stattfinden. Da die meisten der "Biogas-Mikroben" mittels konventioneller mikrobiologischer Verfahren nicht zu kultivieren sind, sollen vorrangig molekulargenetische Ansätze zur kulturunabhängigen Erfassung der mikrobiellen Diversität auf Basis der Sequenzierung ausgewählter mikrobieller Gene (16S rRNA Gen, mcrA Gen) angewandt werden. Mittels modernster Hochdurchsatz-Technologien wie der 454-Pyrosequenzierung soll ein umfangreicher Datenbestand erarbeitet werden, welche eine Analyse der Auswirkung verschiedener Betriebsweisen von Biogasanlagen auf die Prozessmikrobiologie erlauben. Weiterhin sollen ebenfalls Zusammenhänge zwischen Prozessmikrobiologie sowie Reaktorleistung ermittelt werden. Es wird erwartet, dass sich aus dem Datenmaterial Aussagen über besonders prozessrelevante Arten oder Organismengruppen ableiten lassen, welche als Grundlage für eine weitere biotechnologische Optimierung der Biogasfermentation genutzt werden können.

Ergebnisdarstellung:
Methodischer Schwerpunkt von Teilvorhaben 3 war die Erfassung der stoffwechselaktiven Anteile der mikrobiellen Gemeinschaften mittels Analyse des Metaproteoms. Um die Funktion mikrobieller Gemeinschaften im Detail zu charakterisieren, waren mehrstufige Präfraktionierungstechniken und hochauflösende Massenspektrometrie notwendig. Mit diesen Methoden konnten für mesophile und thermophile Prozessführungen spezifische Zeigerorganismen identifiziert und Änderungen bei der Methanogenese nachgewiesen werden. Die Proteine wurden z.B. der acetoklastischen und hydrogenotrophen Methanogenese oder dem Abbau hochmolekularer Substrate zugeordnet. Eine auf die Analyse von Metaproteomen spezialisierte Open-Source Software wurde weiterentwickelt und vereinfacht die Zuordnung massenspektrometrischer Daten auf funktioneller und taxonomischer Ebene. Eine untersuchte Reaktorversäuerung zeigte eine starke Korrelation des Störungsfortschritts mit der Abundanz der Enzyme der Methanogenese z.B. der Methyl-CoM-Reduktase. Für dieses Enzym wurde ein polyklonaler Antikörper hergestellt. Unspezifische Bindungen im Western-Blot und ELISA sowie hohe Hintergrundfärbungen zeigen jedoch, dass noch ein erheblicher Optimierungsbedarf besteht.

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