Influence of Stress Factors on the Establishment of the Prokaryotic Community and Metabolism in Biotechnical Anaerobic Processes

Als Energieträger mit Potential für Power-to-Gas-Applikationen kann Biogas einen entscheidenden Beitrag zu den drängendsten Fragen der Energiewende leisten: Mobilität, Speicherung von Energie und Netzstabilität. Häufig ist die Biogasproduktion finanziell nicht selbsttragend und die Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit wird unterschiedlich bewertet. Wichtige Ansatzpunkte zur Optimierung des Biogasprozesses sind Anlagenflexibilisierung, Systemintegration, Power-to-Gas und die Optimierung der biologischen Prozesse. Als Beitrag hierzu werden in der vorliegenden Arbeit, mit Fokus auf der Anlaufphase, die Entwicklung und Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft aus Biogasprozessen, anhand von Betriebsparametern und Stoffwechselprodukten betrachtet. Darüber hinaus wird der Einfluss verschiedener Fütterungsintervalle zur Flexibilisierung, der Einfluss von Metalloiden aus dem Gärsubstrat auf den Biogasprozess, sowie die Relevanz des Austrags von Mikroplastikpartikeln in die Umwelt untersucht. Die Anlaufphase einer Biogasanlage wurde als hochdynamischer Entwicklungsprozess erwartet, der nach Etablierung der mikrobiellen Gemeinschaft zu einem stabilen Prozess führt und wichtige Erkenntnisse für weitere Forschungsarbeiten zur Prozessoptimierung liefert. Die Anlaufphase wurde an einer zweistufigen Anlage im Produktionsmaßstab über den Zeitraum von 240 Tagen verfolgt. Es konnte mittels Automatisierter Ribosomaler intergenischer Spacer Analyse (ARISA) gezeigt werden, dass sich der Untersuchungszeitraum in fünf deutlich getrennte Entwicklungsphasen unterteilt. Trotz anhaltend hoher Dynamik der mikrobiellen Population etablierte sich mit Erreichen der Endtemperatur nach ca. 30 Tagen eine stabile Gasproduktion. Im weiteren Verlauf stabilisierte sich die mikrobielle Population zunehmend und die Reaktionen auf veränderte Bedingungen nahmen ab. Die Untersuchung mittels Next-Generation-Sequenzierung (NGS) zeigte, dass die dominierenden Bakterien den Klassen Clostridia mit den Ordnungen Clostridiales und MBA08 sowie der Klasse Bacteroidia mit der Ordnung Bacteroidales entstammen. Die flexibilisierte Substratgabe wurde erprobt, um die Biogasproduktion an der Energienachfrage zu orientieren, Substrat und Speicherkapazität einzusparen, sowie günstige Einspeisebedingungen zu nutzen. Es wurde erwartet, dass variierende Fütterungsintervalle einen Prozess anstoßen, der über die Zeit zu einer Anpassung der Mikrobiologie führt. Proben der MicrobEnergy GmbH aus einem 200 L Reaktor, in dem über 700 Tage verschiedene Kombinationen aus Fütterungsintervallen und Raumbelastung erprobt wurden, wurden mit den Prozessparametern, Stoffwechselprodukten und der mikrobiellen Entwicklung (NGS)verknüpft. Es etablierte sich ein stabiler Prozess mit weitgehend konstantem CH4-Niveau während der Fütterungsphasen, der durch Substratminimierung eine Reduktion der Gasproduktion von bis zu 80 % innerhalb eines Tages ermöglichte. Wichtige Indikatorparameter für einen funktionierenden Prozess, wie Fettsäure- und Wasserstoffkonzentration, wiesen vor allem in der ersten Hälfte des Versuchs wiederholt erhöhte Werte auf, die sich jeweils nach spätestens drei Tagen wieder normalisierten. In Folge der Flexibilisierung erfolgte eine Neuordnung der Gemeinschaft, die über die letzten 160 Tage, trotz erneuter Änderung des Fütterungsintervalls und der Substratzusammensetzung, weitestgehend konstant blieb. Die dominanten Archaeen stammten aus der Ordnung Methanosarcinales. Im Laufe des Versuches lösten Vertreter der Klasse Methanosaetaceae Vertreter der Klasse Methanosarcinaceae ab. Die Hydrierung und Methylierung verschiedener Metalloide durch Mikroorganismen, ist auch unter anaeroben Bedingungen belegt. Es wurde vermutet, dass Metalloide, die durch das Gärsubstrat in Biogasanlagen gelangen und dort auf eine hochaktive mikrobielle Gemeinschaft treffen, Auswirkungen auf den Prozess und die entstehenden Produkte haben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten in allen 15 untersuchten Biogas- und Kläranlagen Metalloide, beispielsweise Arsenverbindungen, nachgewiesen werden. Die Auswirkungen auf den Prozess wurden anhand der Überführung auf einen Laborreaktor untersucht, indem Parallelansätze mit unterschiedlichen Konzentrationen (unbehandelt, 30 μM und 60 μM) von Arsen (As) versetzt wurden. In der Folge wurden für 14 Tage Arsenspezies in der Flüssig- und Gasphase analysiert und in Zusammenhang mit dem produzierten Gasvolumen, CH4-Gehalt, Essigsäure sowie der mikrobiellen Entwicklung (ARISA) beobachtet. Die Arsengabe führte zu einer konzentrationsabhängigen Hemmung des Prozesses, mit einem Einbruch der Gasproduktion sowie der Akkumulation von Essigsäure. Sämtliches As(III) wurde zu As(V) umgewandelt. Zudem fand eine Methylierung und im weiteren Verlauf auch eine Dimethylierung statt. In der Gasphase wurde ausschließlich Arsin (AsH3) sowie einfach methyliertes Arsin (MeAsH2) detektiert. Die mikrobielle Zusammensetzung veränderte sich mit der Gabe von Arsen nicht. Die Belastung durch Polymere, die in die Umwelt geraten, rückt immer weiter in den Fokus der Öffentlichkeit. Zunehmend wird ersichtlich, dass vor allem Kleinstpartikel (Mikroplastik) ubiquitär in der Umwelt vorkommen und bereits in die Nahrungskette eingedrungen sind. Es wurde angenommen, dass organische Dünger aus der Vergärung oder Kompostierung von Bioabfällen eine signifikante Eintragsquelle für Mikroplastik in die Umwelt darstellen. Um dies zu bewerten, wurden aus einer Kompostieranlage sowie aus 14 verschiedenen Biogasanlagen Partikel isoliert, quantifiziert und qualitativ bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass Anlagen aus landwirtschaftlichen Betrieben weitgehend unbelastet sind. In Anlagen zur Verwertung von biogenen Abfallstoffen wurden deutlich höhere Partikelzahlen festgestellt. Die größte Fraktion entfällt auf Partikel der Größenordnung 2-5 mm. Am häufigsten kommen Polymere auf Styrenbasis vor. Die meisten Partikel wurden in einer Anlage zur anaeroben Vergärung von gewerblichen Lebensmittelabfällen mit einer Anzahl von 752 Partikeln kg-1 TS nachgewiesen. Weiterführende Untersuchungen könnten zeigen, ob der Flexibilisierungsprozess durch den Einsatz von Reststoffen nachhaltiger gestaltet werden kann. Das Schadpotential volatiler Arsenverbindungen für weiterverwertende Prozesse kann mittels Sensoren zur Katalysator-Charakterisierung untersucht werden. Das Aufnahmepotential von Mikroplastik sollte durch die Inkubation mit Tierzelllinien oder anhand von Gewebepräparaten untersucht werden.