Analyse der Identität und Abundanz Methanogener Archaeen in Biogasanlagen

Trotz der zunehmenden Bedeutung, die der Biogasprozess in der Reihe der regenerativen Energiequellen seit einigen Jahren einnimmt, sind dessen mikrobiologische Prozesse häufig nur zum Teil verstanden und die Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose oft unbekannt. Um jedoch die Biogasgewinnung möglichst effektiv zu gestalten, ist es essentiell, die physikochemischen Bedingungen im Reaktor an die Mikroorganismen anzupassen. Daher war es ein Ziel dieser Arbeit, die mikrobielle Gemeinschaft in verschiedenen Biogasanlagen abhängig vom eingesetzten Substrat zu charakterisieren. Dabei zeigte sich, dass insbesondere die archaeelle Diversität in NawaRo-Anlagen sehr limitiert ist und die Organismen in den einzelnen Anlagen nah verwandt sind. Von großer Bedeutung waren dabei die Genera Methanoculleus und Methanosarcina (bei hoher Acetatkonzentration) bzw. Methanothrix (bei geringer Acetatkonzentration). Deren genaues Verhältnis in den verschiedenen Anlagen hing wesentlich von den zugesetzten Co-Substraten ab und vor allem in Anlage A konnte eine Abhängigkeit der Abundanz von Methanosarcina je nach Zusatz von Hühnertrockenkot bzw. Rindermist beobachtet werden. Im Gegensatz dazu spielten die untersuchten chemischen Parameter eine geringere Rolle und es konnten kaum Korrelationen zwischen der Abundanz einzelner archaeeller Genera und physikochemischen Parametern beobachtet werden. In der mit Klärschlamm betriebenen Anlage KA waren außerdem verschiedene Methanobacteriales und Organismen der WCHA1-57-Klade von Bedeutung. Neben methanogenen Archaea konnten in den Anlagen C, KA und KL außerdem Crenarchaeota nachgewiesen werden, die wahrscheinlich in das erst kürzlich neu postulierte Phylum der „Bathyarchaeota“ einzuordnen sind. Deren genaue physiologische Funktion im Biogasprozess ist jedoch noch ungeklärt. Zusätzlich zu den Archaea wurden exemplarisch auch Proben aus den einzelnen Anlagen hinsichtlich ihrer bakteriellen Population untersucht. Dabei waren in den NawaRo-Anlagen A, B, C und KL vor allem Firmicutes und Cloacimonetes zu finden. Letztere stellen dabei eine bisher nur wenig charakterisierte Gruppe dar, die wahrscheinlich im hydrolytischen Abbau von Cellulose und/oder Aminosäuren eine entscheidende Rolle spielen. Innerhalb der Firmicutes übten insbesondere die Clostridiales vielseitige physiologische Funktionen innerhalb der anaeroben Fermentation aus. Überraschend gering war jedoch der Anteil der syntrophen Organismen. Es ist möglich, dass einige der nicht näher klassifizierbaren OTUs dieser Gruppe angehören, da der syntrophe Abbau verschiedener Säuren von essentieller Bedeutung für den Biogasprozess ist. In der mit kommunalem Abwasserschlamm betriebenen Anlage KA war der Anteil der Firmicutes und Cloacimonetes deutlich geringer. Abundantestes Phylum waren hier die Proteobacteria, unter denen zusätzlich Syntrophe zu finden sind. Zusätzlich zur Untersuchung der mikrobiellen Gemeinschaft während des Normalbetriebes von Biogasanlagen wurden außerdem häufige Prozessstörungen simuliert. Dabei zeigte sich, dass es trotz rückläufiger Methanbildung häufig nicht zu Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikroorganismen kommt und stattdessen deren Aktivität sinkt. Erst bei dramatischer Veränderung der physikochemischen Parameter, wie es im Rahmen des ersten Versuchs zur Ammonium-Intoxiaktion der Fall war, wurden deutliche Veränderungen in der archaeellen Biozönose detektiert. Die bakterielle Gemeinschaft blieb dabei kaum verändert. Bei geringerer Ammoniumkonzentration hingegen konnte eine gute Anpassungsfähigkeit der Archaea gezeigt werden. Dennoch war es nicht möglich, anhand dieser Versuche einen allgemein gültigen Grenzwert der Ammoniumkonzentration, ab der inhibitorische Effekte auftreten, festzulegen, da in Anlage A bei ähnlichen Konzentrationen die archaeelle Abundanz durchaus zurückging. Auch im Rahmen der Versuche zur Versauerung konnte eine gute Anpassungsfähigkeit der Archaea gegenüber erhöhten FOS-Konzentrationen gezeigt werden. Dabei war insbesondere eine erhöhte Abundanz der Syntrophomonadaceae mit Stressresistenz verbunden, während eine erhöhte Abundanz von Methanobacterium mit verminderter Säuretoleranz einher ging. Insgesamt liefern die Ergebnisse dieser Arbeit einen aufschlussreichen Einblick in die mikrobielle Population in NawaRo-Anlagen sowohl während des Normalbetriebes als auch im Verlauf von Prozessstörungen, die zu einem besseren Verständnis der ablaufenden Prozesse beitragen können. Dennoch ist die Rolle vieler beteiligter Organismen noch nicht gänzlich geklärt. Es sind daher weitere Studien nötig, um die mikrobiologischen Prozesse in Biogasanlagen vollständig zu verstehen