Blackbox für Biogas

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Universität Bonn Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie

Es wird diskutiert, dass der Geschwindigkeit limitierende Schritt die Methanogenese ist [6]. Die Methan-bildenden Mikroorganismen werden anhand ihres Substratspektrums in zwei physiologische Gruppen eingeteilt. Ihnen allen ist gemein, dass sie ihren Energiestoffwechsel ohne komplexe organische Verbindungen (z.B. Glukose) und Sauerstoff betreiben und stattdessen auf Endprodukte aus sekundären Gärungen zurückgreifen. Eine große Gruppe von Methanbildnern nutzt Wasserstoff und Kohlendioxid (bei einigen Arten auch Ameisensäure) als Substrat zur Methanproduktion. Die zweite Gruppe von methanogenen Archaeen besitzt einen komplizierteren Energiestoffwechsel, was dazu führt, dass einige Vertreter neben Wasserstoff und Kohlendioxid auch einfache methylierte Verbindungen (Methylthiole oder Methylamine) oder Essigsäure zur Methanbildung nutzen können. Von ökologischer Bedeutung sind besonders Methanosarcina- und Methanosaeta-Arten, die als einzige Gattungen überhaupt, Methan aus Essigsäure bilden können. Von diesem Stoffwechselprozess wird angenommen, dass er für den Großteil des weltweit biologisch produzierten Methans und des damit einhergehenden Treibhauseffekts durch Methan verantwortlich ist. Daher ist es nahe liegend, dass auch in der Biogasanlage die Methanbildung aus Essigsäure dominiert. Trotzdem bleibt es fraglich, ob die methanogenen Archaeen in der Biogasanlage unter optimalen Bedingungen leben oder durch einen oder mehrere Faktoren gehemmt werden.

Von der Mikrobe zum Enzym

Es sind bereits viele Untersuchungen in Bezug auf die Prozessführung, die physiko-chemischen Parameter und die Populationszusammensetzung in Biogasanlagen durchgeführt worden. Wichtige Parameter sind jedoch noch nicht oder nur unzureichend untersucht. Biogasanlagen werden also als eine Art „Black-Box“ betrieben, ohne die eigentlichen Abläufe im Detail zu kennen. Weiterhin ist der Basis-Stoffwechsel der verschiedenen Arten des anaeroben Abbaus von organischem Material bekannt, aber hier handelt es sich typischerweise um Analysen von Reinkulturen oder definierten Co-Kulturen von Typstämmen der Organismenklassen. In den Biogasanlagen befinden sich jedoch meist nicht die Typstämme, sondern bislang uncharakterisierte Verwandte oder noch völlig unbekannte Mikroorganismen, über deren katalytischen Aktivitäten in der Anlage wenig bekannt ist. Die genaue Kenntnis der biochemischen Abläufe und der Bedürfnisse der beteiligten Mikroorganismen in der Biogasanlage könnten sicherlich bei auftretenden Problemen hilfreich sein, um negative Auswirkungen auf die Gasproduktion zu vermeiden und Prozess-Störungen zu verhindern.

Diese Probleme sollen im Rahmen des BMBF-geförderten Forschungsnetzwerks Bio-Para aufgegriffen werden [7]. Im Mittelpunkt der Projekte steht die eingehende biochemische und enzymatische Charakterisierung der Biopolymer-Umsetzung zu CH₄ und CO₂ durch Quantifizierung von Aktivitäten von Schlüsselenzymen, sowie Genom-weite Untersuchungen der Biogas-Mikrobengemeinschaft. Umrahmt wird dieser neue Forschungsansatz von einer Vielzahl von Parameterbestimmungen, die einen Gesamtüberblick über die chemischen und biologischen Vorgänge in Biogasanlagen erlauben werden. Die Biochemie der vier Stufen der Umsetzung von Polymeren zu Methan wird hierbei vollständig abgedeckt. Zudem werden Populations- und Metagenom-weite Analysen zur Erfassung der Artenvielfalt durchgeführt, aber auch die Genexpression und die Enzymproduktion sollen durch Metagenom-, Metatranskriptom- und Metaproteomanalysen untersucht werden. Übergeordnetes Ziel ist die Erfassung möglichst vieler, bislang unbekannter biologischer Parameter und deren Korrelation zur Produktionseffizienz in Biogasanlagen. Hierbei ist auch die Entwicklung von neuen Sensoren geplant, die die Aktivitäten von Schlüsselenzymen aufzeigen, sodass mikrobielle Prozessstörungen bereits entdeckt werden, bevor die Produktivität der Biogasanlage sinkt.

Im Fokus des Forschungsprogramms der Autoren stehen die Essigsäure-abbauenden methanogenen Archaeen, die sicherlich eine Schlüsselrolle im Biogas-Produktionsprozess spielen [8]. Insbesondere sollen die metabolische Aktivität dieser Organismengruppe in der Biogasanlage untersucht und einzelne Schlüsselenzyme, deren Substrate und deren Produkte sowie Inhibitoren und Aktivatoren der Methanbildungs-Aktivität gezielt analysiert werden. Hinzu kommt die Erfassung von mRNA-Transkripten und Proteinen mittels quantitativer PCR und Western Blots, sodass eine umfassende und von mehreren Seiten abgesicherte Beschreibung der Stoffwechselaktivität und Enzymausstattung des methanogenen Teilschritts in der Biogasanlage erfolgen kann. Dabei sollen Ursachen für Prozesslimitierungen lokalisiert und mögliche Gegensteuerungen etabliert werden. Langfristiges Ziel ist hier die Entwicklung von Strategien zur Verbesserung des Substratflusses und zur Steigerung der Effizienz von Biogasanlagen.

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