22. Okt. 2014: Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) sowie der Universitäten Bielefeld, Magdeburg und Hohenheim haben jetzt die Ergebnisse ihrer Forschungsarbeit zu einem komplexen Thema veröffentlicht: Welche Mikroorganismen leben in landwirtschaftlichen Biogasanlagen und wie lassen sich diese steuern? Neben der Identifizierung prozessrelevanter Mikroorganismen gelang es den Forschern, grundlegende Erkenntnisse zur ökologischen Rolle der beteiligten Arten bei der Biogasbildung zu gewinnen. BIOGAS-BIOCOENOSIS erhielt Projektförderung vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR).      

Je nach Reaktortyp, Prozessführung und Gärsubstrat reichern sich in einer Biogasanlage bestimmte Mikroorganismen an. Jede Biogasanlage enthält somit ihre eigene, spezifisch an die lokalen Bedingungen angepasste mikrobielle Gemeinschaft, dies ist ein zentrales Ergebnis der Studie. Zudem existieren in einem Biogasreaktor räumlich und zeitlich verschiedene ökologische Nischen, die von gänzlich unterschiedlichen Arten von Mikroorganismen besetzt werden, ohne dass die Reaktorleistung beeinträchtigt wäre. Unterschiedliche Toleranzen einzelner Arten gegenüber Änderungen in den Prozessbedingungen z. B. hinsichtlich Temperatur, pH-Wert und/oder Ammoniakgehalt scheinen eine stoffwechselphysiologische Kompensation zwischen verschieden Arten zu bewirken, so dass die Reaktoreffizienz trotz struktureller und funktioneller Veränderungen nicht negativ beeinflusst wird. 

Darüber hinaus gelang es den Forschern, Mikroorganismen zu identifizieren, die verstärkt im Vorfeld kritischer Prozesszustände auftraten. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung von Biomarkern als Anzeiger, eventuell sogar als Frühwarn-Indikatoren für ungünstige Prozessentwicklungen wie Fehlvergärungen und Schwimmdeckenbildung. Solcherart prozessrelevante Mikroorganismen zu isolieren, geeignete Bioindikatoren zu identifizieren und unter praxisrelevanten Bedingungen zu validieren ist Aufgabeweitere nachfolgender Forschungsarbeiten.

Biogas ist ein Produkt des anaeroben Abbaus organischer Biomasse durch eine komplexe und artenreiche Gemeinschaft vieler verschiedener Mikroorganismen. Der Großteil der daran beteiligten Arten sowie ihr Einfluss auf die Biomethanisierung und die Prozesseffizienz sind jedoch bislang unbekannt. Die Analyse der strukturellen und funktionellen Zusammenhänge in dieser Gemeinschaft ist mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Klassische mikrobiologische Verfahren scheitern oftmals an der hohen Biodiversität in Biogasanlagen sowie an den besonderen Lebensbedingungen der Biogasmikroorganismen. 

Im Rahmen des Verbundvorhabens kam eine Kombination modernster, sich ergänzender molekularer Verfahren zum Einsatz: Mittels hochauflösender Gensequenzierung wurden die beteiligten Mikroorganismen auf Artebene identifiziert, prozessabhängige Veränderungen mit Hilfe genetischer Fingerabdrücke erfasst und das enzymatische Potential der mikrobiellen Gemeinschaft zum Stoffabbau durch Analysen des mikrobiellen Metaproteoms untersucht.

Projektleiter Dr. Michael Klocke vom Leibniz-Institut für Agrartechnik hebt die Bedeutung der Ergebnisse des BIOGAS-BIOCOENOSIS Projekts als wichtige Grundlage für die Identifizierung weiterer prozessbeeinflussender Mikroorganismen hervor: „Die gewonnenen Daten geben Aufschluss über die ökologische Rolle von Generalisten und Spezialisten bei der Biogasbildung. Gleichzeitig liefern sie grundlegende Informationen über die notwendigen Lebensanforderungen für eine ausgewogene, stresstolerante und effizient arbeitende mikrobielle Gemeinschaft. Die ‚Gesundheit‘ der mikrobiellen Gemeinschaft, also ihre Struktur und ihr Zustand spielen im Hinblick auf die Stabilität und Effizienz der Biogasproduktion eine entscheidende Rolle und tragen wesentlich zum wirtschaftlichen Erfolg einer Biogasanlage bei.“ 

Für die Untersuchungen wurden ausgewählte landwirtschaftliche Biogasanlagen beprobt und deren verfahrenstechnische, chemische und mikrobiologische Daten über einen Zeitraum von zehn Monaten erfasst. Probenahmen und Analysen erfolgten in Verbindung mit dem Forschungsvorhaben BiogasEnzyme (Förderung: BMEL / FNR, FKZ 22027707). 

Der Ergebnisbericht des Verbundvorhabens BIOGAS-BIOCOENOSIS ist jetzt in der Reihe Bornimer Agrartechnische Berichte erschienen und kann über das Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. bezogen werden (www.atb-potsdam.de/bab).

Weitere Informationen zum Verbundvorhaben BIOGAS-BIOCOENOSIS sind in der Projektdatenbank der FNR zu finden (www.fnr.de , Menü Projekte & Förderung, Förderkennzeichen 22010711, 22028711, 22028811, 22028911).

Kontakt ATB:

Dr. Michael Klocke –  Senior Scientist Mikrobiologie
Abteilung Bioverfahrenstechnik
Tel.: 0331 5699-113, E-Mail: mklocke@spam.atb-potsdam.de

Helene Foltan  –  Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 0331 5699-820, E-Mail: hfoltan@spam.atb-potsdam.de

Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB)
Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam
www.atb-potsdam.de

Die Forschung des Leibniz-Instituts für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) zielt auf die ressourceneffiziente Nutzung biologischer Systeme zur Erzeugung von Lebensmitteln, Rohstoffen und Energie in Anpassung an Anforderungen von Klimaschutz und Klimawandel. Zu diesem Zweck entwickelt das ATB verfahrenstechnische Grundlagen für eine nachhaltige Landbewirtschaftung und stellt innovative technische Lösungen für Landwirtschaft und Industrie bereit. Eine Querschnittsaufgabe ist die Analyse und Bewertung des Technikeinsatzes entlang der Wertschöpfungskette. Die im Rahmen von Bioraffinerie- und Kaskadennutzungskonzepten entwickelten Technologien sind ein Beitrag zur Schaffung einer biobasierten Stoff- und Energiewirtschaft.