Propionic acid metabolism during anaerobic biowaste treatment - Comparison of different digestion regimes
Final Report Abstract
Zur Beurteilung der Prozessstabilität in Biogasanlagen gehört die Bestimmung flüchtiger Fettsäuren, besonders von Propionsäure. Dieses Intermediat der anaeroben Nahrungskette kann nur in Syntrophie mit H2/CO2 oder/und Acetatverwertenden methanogenen Archaea abgebaut werden, da die Oxidation von Propionat unter Standardbedingungen eine endergone Reaktion (+76.1 kJ mol^-1) ist. Welche der bekannten synthrophen Propionat-oxidierenden Bakterien (POB) in dem jeweiligen technischen oder natürlichen Ökosystemen vorkommen und mit welcher Aktivität diese Propionat abbauen war Gegenstand dieses Forschungsprojektes. Durch Bestimmung der Gesamtmasse bzw. von Massefragmenten der gebildeten Essigsäure bzw. des CO2 ist eine Unterscheidung des jeweiligen Propionat- Abbauweges bei Spezies der Gattungen Pelotomaculum und Syntrophobacter (Methylmalonyl-CoA-Weg) und bei Smithella propionica (C6-Dismutase-Weg) möglich. Als Alternative zur Bestimmung der Abundanz und Aktivität der synthrophen POB können auch spezifische Oligonukleotid-Sonden mit einem Fluorochrom verwendet werden, die mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie in situ (FISH) detektiert und quantifiziert werden können. In der Bioabfall-Naßvergärungsanlage in Karlsruhe/Durlach konnten als dominante POB Spezies der Gattung Pelotomaculum mit 90% Anteil identifiziert werden. Syntrophobacter kommt in deutlich geringerer Zellkonzentration vor (10% Anteil an POB) und Smithella (< 1%) nur bei sehr niedrigen Propionatkonzentrationen von < 4 mM. Bei veränderten Randbedingungen wie z.B. dem Wassergehalt wurde in Reaktoren mit 20, 25 und 30 % Trockensubstanzgehalt (Trockenvergärung) eine Verringerung der dominanten Pelotomaculum Spezies auf < 50% beobachtet. Bei höheren TS-Gehalten übernimmt Syntrophobacter die dominante Rolle beim Propionatabbau. Bei veränderter Substratzusammensetzung wie z.B. zusätzliche Gabe von leicht abbaubarem Weizen- oder Roggenbrot zu Bioabfall wurde nach Überlastung eine deutlich eingeschränkte Biodiversität bei POB detektiert. Durch Versuche mit steigender Zugabe an Propionat von 0 bis 2.5 g L^-1 konnte die Propionat-Abbaurate von 40 auf 109 mg L^-1 h^-1 gesteigert d.h. mehr als verdoppelt werden. Parallel dazu nahm der Anteil der POB an der Gesamtzahl der Bacteria auf mehr als 20 % zu. Eine permanente Zudosierung von Propionat zu Anaerobreaktoren könnte somit die Propionatabbau-Aktivität und die Abundanz der POB erhöhen. Mit Hilfe kinetischer Parameter wie kM und vmax sowie der Bestimmung des Zellertrages von syntrophen POB können komplexe Prognosemodelle wie das ADM1xp derart optimiert werden, so dass eine genaue Simulation der Biogasmenge und Biogasqualität möglich ist. Dies wurde durch vor-Ort-Messungen des Biogasertrages und der - Zusammensetzung unter verschiedenen Betriebsbedingungen und Simulation mit dem optimierten ADM1xpro nachgewiesen. Diese Arbeiten zur …“Aufklärung mikrobieller Stoffwechslprozesse in technischen Systemen wie Biogasanlagen….“ haben auch maßgeblich dazu beigetragen, das die Projektleiterin Prof. Dr. Claudia Gallert mit den Niedersächsischen Wissenschaftspreis 2017 ausgezeichnet wurde.
Publications
- (2013) Interspecies distances between propionic acid degraders and methanogens in syntrophic consortia for optimal hydrogen transfer. Applied Microbiology and Biotechnology 97 (20): 9193-9205
M. Felchner-Zwirello, J. Winter, C. Gallert
(See online at https://doi.org/10.1007/s00253-012-4616-9) - (2014) Effect of moisture of municipal biowaste on start-up and efficiency of mesophilic and thermophilic dry anaerobic digestion; Bioresource Technology 168:23-32
Ch. Li, Ch. Mörtelmaier, J. Winter, C. Gallert
(See online at https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.02.118) - (2014) Fatty acid metabolism and population dynamics in a wet biowaste digester during re-start after revision. Bioresource Technology 166:479-484
Ch. Mörtelmaier, Ch. Li, J. Winter, C. Gallert
(See online at https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.05.085) - (2015) Co-digestion of wheat and rye bread suspensions with source-sorted municipal biowaste. Waste Management 40:63-71
Ch. Li, Ch. Mörtelmaier, J. Winter, C. Gallert
(See online at https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.03.024) - (2015) Microbial Community Shifts during Biogas Production from Biowaste and/or Propionate. Bioengineering 2 (1): 35-53
Ch. Li, Ch. Mörtelmaier, J. Winter, C. Gallert
(See online at https://doi.org/10.3390/bioengineering2010035) - (2018) Wet biowaste digestion: ADM1 model improvement by implementation of known genera and activity of propionate oxidizing bacteria. Water Research 129:384-393
F. Uhlenhut, K. Schlüter, Gallert, C.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.11.012)
