Propionic acid metabolism during anaerobic biowaste treatment

Im Rahmen des DFG-Projektes „Propionic acid metabolism during Anaerobic biowaste treatment- Comparison of different digestor regimes“ werden stoffwechselphysiologische Experimente an syntrophen Propionat-oxidierenden Bakterien (SPOB) durchgeführt. Weiterhin werden Methoden zur molekularbiologischen Quantifizierung der SPOB entwickelt. Die gewonnenen Daten zur Abundanz und Speziesverteilung der SPOB dienen als Grundlage für die modelhafte Beschreibung einer Naßvergärungsanlage zur anaeroben Behandlung von kommunal gesammelten Bioabfällen.


Die Bildung des erneuerbaren Energieträgers Methan aus Bioabfällen steht am Ende einer Reihe komplexer Stoffwechselvorgänge. Ein wichtiges Intermediat beim Abbau organischer Substrate ist Propionat. Dieses wird von acetogenen Bakterien nach folgender Reaktionsgleichung oxidiert:

CH3CH2COO- + 3H2O ⇌ CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2           

Diese endogene Reaktion ist für die acetogenen Bakterien energetisch nur in Syntrophie mit hydrogenotrophen Methanogenen, sulfatreduzierenden Bakterien oder bei Anwesenheit eines Wasserstoffakzeptors wie z.B. Sulfat möglich. Zu den SPOB gehörten die Gattung Syntrophobacter sowie die Spezies Smithella propionica aus der Klasse der Deltaproteobacteria und verschiedene Spezies der Gattung Pelotomaculum aus dem Phylum der Firmicutes.

Die Anreicherung und Kultivierung der SPOB aus Biogasreaktorproben muss unter strikt anaeroben Bedingungen erfolgen. Im Verlauf der Anreicherung werden die wichtigsten Substrate und Produkte des Stoffwechsels analytisch bestimmt. Mittels Gaschromatographie können die Konzentrationen von Propionat, Acetat sowie Methan und Kohlenstoffdioxid in den Anreicherungen gemessen werden. Hierdurch können wichtige neue Ergebnisse über die Abbaugeschwindigkeit von Propionat gesammelt werden, welche zur Charakterisierung des Stoffwechsels der syntrophen Gemeinschaft dienen. Durch Experimente an Reinkulturen und definierten Mischkulturen werden kinetische und stoffwechselphysiologische Parameter ermittelt, die unter Anderem für mathematische Modellierungen genutzt werden können.
Eine Quantifizierung der Propionat-abbauenden Bakterien erfolgt mittels molekularbiologischer Methoden wie der Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) und der quantitativen Polymerase-Kettenreaktion (qPCR). Mittels FISH lässt sich über spezifische fluoreszierende Gensoden die Art, Anzahl und Verteilung der Organismen aufzeigen. Mittels der qPCR können die verschiedenen Genera der Propionat-Abbauer über ihre 16S rRNA-Gene quantifiziert werden. Die hierfür benötigten Primer werden in diesem Projekt designt. Eine qPCR-Methode wird etabliert.

Insgesamt sollen neue Auskünfte über die Anzahl der SPOB und deren Metabolismus in Biogasreaktoren erhalten werden.  Nach Abschluss des Projektes soll es erstmals möglich sein, mittels neuer Methoden die Verteilung der Propionat-abbauenden Bakterien zu bestimmen und diese in Zusammenhang mit den ermittelten stoffwechselphysiologischen Parametern zu stellen. Mithilfe der Zuordnung von Reaktorbetriebsdaten und Abundanz von Propionat-abbauenden Bakterien sollen Betriebsbedingungen identifiziert werden, die für optimales und maximales Wachstum von acetogenen Bakterien verantwortlich sind.

Publikationen

 

 

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer Reaktorprobe: Bakterien wie u.a. Propionat-Abbauer hybridisieren mit der Sonde EUB338-FAM (grün) und Methanogene mit der Sonde ARC915-CY3

Anaerobenkammer zur Kultivierung strikt anaerober Mikroorganismen

Die Bioabfallvergärungsanlage Karlsruhe/Durlach wurde unter Verwendung des vorliegenden Datenmaterials in der Simulationsumgebung MATLAB/SIMULINK/SIMBA 6.6 abgebildet (siehe Abbildung 1) und simuliert. Dabei wurde zunächst der unveränderte Modellansatz ADM1xp (Anaerobic Digestion Model No. 1) als Berechnungsgrundlage verwendet. Da sich hier erwartungsgemäß deutliche Abweichung zwischen den Simulationsergebnissen und realen Messwerten hinsichtlich produzierter Biogasmenge und -zusammensetzung ergaben, erfolgte zunächst eine Sensitivitätsanalyse und Anpassung relevanter Modellparameter.

Im weiteren Verlauf wurde daher der ursprüngliche Modellansatz modifiziert, indem die bisher als eine Modellfraktion definierten Propionat-abbauenden Bakterien (POB) durch die in der Realität vorliegenden drei Gattungen von syntrophen, Propionat- abbauenden Bakterien (SPOB) ersetzt und die Modellmatrix um die zusätzlichen Stoffgruppen und Modellparameter erweitert wurde. Die Simulation wurde anschließend mit den durchschnittlichen Werten für die Substratmenge und -dosierung des Zeitraumes Januar – Dezember 2013 durchgeführt und zeigte bereits eine erheblich bessere Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und realen Messwerten hinsichtlich produzierter Biogasmenge und -zusammensetzung. Durch eine Sensitivitätsanalyse und Anpassung relevanter Modellparameter konnte diese Übereinstimmung noch weiter optimiert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf betrachten zu können, wurde weiterhin exemplarisch für den Monat August 2013 in EXCEL für die Substratdosierung eine Tagesgangdatei mit sehr hoher zeitlicher Auflösung erstellt und für die Simulationsrechnungen verwendet. Dabei ergab sich für die hinsichtlich der Biogasproduktion auftretenden Schwankungen eine gute Überstimmung zwischen Messwerten und Simulation, wobei die Absolutwerte teilweise noch größere Abweichungen zeigten. Daher wurden in der Folge alle Einflussgrößen systematischen überprüft, die als Ursache dieser Abweichungen in Betracht kommen. In Abbildung 2 ist exemplarisch ein Ergebnis dieser Untersuchungen dargestellt. Dabei zeigte sich, dass die in der Simulation als konstant angenommenen Werte für den Trockensubstanzgehalt (TS) und Gehalt an organischer Trockensubstanz (oTS) des Substrates einen großen Einfluss auf die Biogasproduktion haben. Da die Zusammensetzung des Substrates in der Realität gewissen Schwankungen unterliegt und damit auch die genannten Parameter entsprechende Abweichungen zeigen, liegt hier vermutlich die Ursache für die beobachteten Differenzen im zeitlichen Verlauf der Messwerte und Simulationsergebnisse.

Abb. 1: Simulationsmodell der Bioabfallvergärungsanlage Karlsruhe/Durlach in SIMBA 6.6.

Abb. 2: Exemplarische Darstellung eines Ergebnisses der Sensitivitätsanalyse (Vergleich der Messwerte für die Biogasproduktion mit den Simulationsergebnissen bei einer Variation der Vorgabe für den Parameter TS-Gehalt im Zeitfenster 18.08.2013 - 25.08.2013).

Projektdaten

Laufzeit: 05/13 - 03/17

Förderung durch: DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft

Bearbeiter des Projektes:
PD Dr. Frank Uhlenhut