Phenylodigest

Die Vergärung organischer Abfälle nimmt sowohl aus ökonomischen als auch ökologischen Gründen eine immer bedeutendere Stellung in der Energieproduktion ein. Viele basale mikrobielle Vorgänge in dem sehr komplexen, kaskadenartig ablaufenden Vergärungsprozess sind kaum oder nicht ausreichend verstanden, sodass die meisten Biogasanlagen rein auf empirischen Daten basierend konzipiert sind und eine (zumeist gerade noch) ausreichende Wirtschaftlichkeit des Betriebs gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt bei der Biogaserzeugung ist, dass nur ein Bruchteil (meist unter 10%) der potentiell aus organischer Substanz erzeugbaren Gasmenge tatsächlich generiert wird und somit ca. 90% der organischen Substanz energetisch ungenutzt den Prozess passieren. Diesem Problem begegnete man in letzter Zeit va. mit der vermehrten Verwertung von energiereichen, vielfach proteinhaltigen Co-Substraten bzw. mit der Vorbehandlung von Abfällen mit einem hohen Gehalt an Ligno-Zellulose (Baum-, Strauch-, Gras-, Grünschnitt, Holzabfälle, ...). Dies birgt jedoch auch die Gefahr einer unerwünschten Anreicherung von aromatischen Verbindungen, die bei Vorhandensein eines hohen Proteinanteils bzw. von Ligninderivaten in den Ausgangssubstraten entstehen und negative Auswirkungen auf den Vergärungsprozess haben können. Während aromatische Verbindungen aus proteinreichen Substraten vor allem von den Aminosäuren Tyrosin, Phenylalanin und Tryptophan kommen, entstehen Ligninderivate im Zuge des Aufschlusses von Holz und holzähnlichen Verbindungen. Im Zentrum des Projektes sollen die aromatischen Stoffwechsel(zwischen)produkte protein- und ligninreicherSubstratePhenylessigsäure (PAA), Phenylpropionsäure(PPA) und Phenylbuttersäure (PBA) stehen, vor allem Entstehung, Verlauf und deren Hemmeffekte, wie auch die Auswirkungen auf die Mikrobiologie eines anaeroben Biogasreaktors, was bisher kaum wissenschaftlich aufgearbeitet wurde. Diese Daten sind jedoch von hohem Interesse für das Verständnis von gestörten Prozessbedingungen in anaeroben Biogasreaktoren. Die Ziele des Projektes sind daher die Untersuchung der i. a) Entstehung von PAA, PPA, PBA während der anaeroben Vergärung von definierten, protein- und ligninreichen Substraten und b) die Evaluierung deren inhibitorisch wirksamer Konzentration, ii. Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft während der Vergärung, iii. Fähigkeit der Anpassung an erhöhte Konzentrationen, und iv.die Identifikation von Organismen/Gemeinschaften,diegegenübererhöhten Konzentrationen von PAA, PPA, PBA tolerant sind und trotzdem eine hohe Methanproduktivität ermöglichen. Methodisch besteht das Projekt aus einem Mix an bereits gut etablierten analytisch-chemischen, kulturbasierenden also auch modernen molekluarbiologischen Methoden wie Next Generation Sequencing. Das Projekt soll erstmals Einblicke in die Entstehung, den Um- bzw. Abbau von Phenylsäuren und potentielle inhibitorische Effekte auf die Mikrobiologie während der anaeroben Vergärung ermöglichen.

FWF Projekt Phenylodigest Die Vergärung organischer Abfälle nimmt sowohl aus ökonomischen als auch ökologischen Gründen eine immer bedeutendere Stellung bei der Energieproduktion ein. Einige basale mikrobielle Vorgänge in dem sehr komplexen, kaskadenartig ablaufenden Vergärungsprozess sind störungsanfällig, aber die Wirtschaftlichkeit eines biogaserzeugenden Betriebs abhängig von einer durchgehend hohen Produktivität. Ein wichtiger Aspekt bei der Biogaserzeugung ist, dass nur ein Teil der potentiell aus organischer Substanz erzeugbaren Gasmenge tatsächlich generiert wird und der Rest energetisch ungenutzt den Prozess passiert. Diesem Problem begegnete man in letzter Zeit va. mit der vermehrten Verwertung von energiereichen, vielfach proteinhaltigen Co-Substraten bzw. mit der Vorbehandlung von Abfällen mit einem hohen Gehalt an Lignocellulose (Baum-, Strauch-, Gras-, Grünschnitt, Holzabfälle, ...). Durch die Verbesserung des Substrataufschlusses vor bzw. während des Biogasprozesses können in Biogasanlage zwar die Biogas- und Methanausbeuten deutlich erhöht werden, jedoch kann es im Zuge dessen auch zu einer Anreicherung unerwünschter Nebenprodukte kommen. Letztere können den mehrstufigen Prozess der Methanbildung stören und ökonomisch relevante Ausfälle in Biogasanlagen hervorrufen. Besonders die Vorbehandlung von lignocellulosehaltigen Materialien führt nicht nur zu einem verbesserten Methanertrag, sondern auch zu einer vermehrten Freisetzung von aromatischen Verbindungen, zu denen beispielsweise verschiedene Phenylsäuren wie Phenylacetat, Phenylpropionat oder Phenylbutyrat (PAA, PPA, und PBA) zählen. Die Ziele des Projektes Phenylodigest waren die Untersuchung der i. Entstehung von PAA, PPA, PBA während der anaeroben Vergärung von definierten, protein- und lignin-reichen Substraten ii. Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft während der Vergärung, iii. Fähigkeit der Anpassung an erhöhte Konzentrationen, und iv. die Identifikation von Organismen, die gegenüber erhöhten Konzentrationen von PAA, PPA, PBA tolerant sind und trotzdem eine hohe Methanproduktivität ermöglichen. Im Zuge des Projektes, in dem sowohl kulturtechnische, chemisch-analytische als auch molekularbiologische Methoden zum Einsatz kamen, konnte gezeigt werden, dass Phenylsäuren aus protein-reichen Substraten oder nach Zugabe von Lignin-Abbauprodukten (Derivaten) in durchaus nennenswerten Konzentrationen entstehen können. Vor allem bei (zu) hohen Nährstoffkonzentrationen (Überlast) wurde dieses Phänomen verstärkt und es kam zu negativen Auswirkungen dieser Phenylsäuren auf den gesamten Biogasprozess. Entgegen ursprünglicher Annahmen, dass ausschließlich der letzte Schritt im anaeroben Abbauprozess, die Methanbildung oder Methanogenese mit den darin involvierten Mikroorganismen, betroffen wäre zeigte sich, dass größere Teile der mikrobielle Gemeinschaft eingeschränkt sein können, auftretende Hemmungen aber durch mikrobielle Redundanz zum Teil wieder aufgefangen werden können. Als bei der Entstehung von Phenylsäuren beteiligt und hohe Phenylsäure-Konzentrationen tolerierend konnten Organsimsen aus den Gattungen Sedimentibacter, Tepidanaerobacter, Acetomicrobium, Sporanaerobacter, Syntrophomonas, Lactobacillus, Geobacillus, oder Tissierella ausgemacht werden. Im Gegensatz dazu wurde gefunden, dass Mikroorganismen wie Syntrophus sp. beim Abbau von Phenylsäuren eine wichtige Rolle spielen und wichtig für die Funktion eines Biogasreaktors in Anwesenheit von Phenylsäuren sein können.