Das Projekt "Teilvorhaben 3: Cellulose-abbauende Archaea" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH durchgeführt. Um den Aufschluss der Lignocellulose aus Getreidestroh kostengünstiger und effizienter zu machen sollen mikrobieller Enzyme wie Cellulasen, Hemicellulasen, Laccasen und Peroxidasen aus extremophilen Mikroorganismen (vorwiegend Archaea) isoliert werden. Die DSMZ besitzt weltweit die umfangreichste Sammlung extremophiler Mikroorganismen. Das Temperaturoptimum der Cellulaseenzyme dieser extremophilen Organismen liegt oft bei etwa 80 Grad C, was u.a. die Gefahr einer Kontamination mit anderen mesophilen Bakterien reduziert. Dadurch wird sich die Ausbeute an Zucker und damit in Folge auch die Bioethanolproduktion erhöhen. Um das Ziel zu erreichen, wird die DSMZ zunächst extremophile Organismen auf ihre cellulolytische Aktivitäten hin untersuchen und dem Verbundpartner SeqLab zur DNA-Sequenzierung zur Verfügung stellen. Außerdem wird die DSMZ SeqLab bei der Suche nach cellulolytischen Genen, die durch Metagenomanalyse von Umweltproben erhalten wurden, mit ihrer Bioinformatik unterstützen. Die Neuisolate der cellulolytischen Mikroorganismen werden von der DSMZ in Reinkultur genommen, chemotaxonomisch charakterisiert und unter besonderer Berücksichtigung der metabolischen Eigenschaften phänotypisiert werden. Dies ist notwendig um die Neuisolate valide benennen zu können. Die axenischen Kulturen der identifizierten Stämme werden an der DSMZ durch Gefriertrocknung und Lagerung konserviert, damit sie für die Herstellung von Enzymen zur Verfügung stehen.
Das Projekt "L-Xylulose Reductasen aus Pilzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Wien, Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofftechnik und Umwelttechnik durchgeführt. Eine große Anzahl filamentöser Pilze wächst auf totem oder verrottendem Pflanzenmaterial und trägt so zu einer schnellen Umsetzung von Lignin und verschiedenen Polysacchariden - wie Cellulose, Hemicellulose und Pektin - bei. Hemicellulosen und Pektine sind Heteropolysaccharide, die hauptsächlich aus Pentosen, Hexosen und Zuckersäuren bestehen. Ihre Primärstruktur ist Organismus spezifisch und kann sogar zwischen verschiedenen Geweben ein und derselben Pflanze variieren. Die Pentose L-Arabinose kommt sowohl in Hemicellulosen als auch Pektin vor. Ein L-Arabinose Abbauweg ist daher für viele Mikroorganismen, die auf totem Pflanzenmaterial wachsen, von Vorteil und hat auch einen Einfluss auf mikrobielle Fermentation in denen erneuerbare Rohstoff wie billige Pflanzenbiomasse verwendet werden, um sie entweder in wertvolle Feinchemikalien umzuwandeln oder daraus billige Enzyme zu produzieren. Pilze haben spezifische Abbbauweg für Pentosen wie L-Arabinose oder D-Xylose entwickelt. Die meisten für diesen Abbauweg verantwortlichen Gene wurden kloniert und funktionell charakterisiert. Das Enzym L-Xylulose Reductase katalysiert die dritte Stufe des fünfstufigen Prozesses, die Reduktion der L-Xylulose zum Xylitol. Ein für eine L-Xylulose Reductase kodierendes Gen wurde aus dem filamentösen Pilz Hypocrea jecorina (Anamorph: Trichoderma reesei) kloniert. Die Rolle diese Gens im L-Arabinose Stoffwechsel wurde durch ein paar Ergebnisse in Frage gestellt. Unsere Daten deuten eher darauf hin, dass es sich bei diesem Enzym um eine D-Mannitol 2-dehydrogenase handelt, die in Prozesse wie Sporulation oder Sporenkeimung involviert ist. Enzyme mit L-Xyluloseaktivität sind zusätzlich in eine Reihe anderer wichtiger metabolischer Prozesse involviert. Dazu gehören der D-Galactose Stoffwechsel und die Induktion der Zellulasen. In diesem Projekt sollen daher Enzyme mit L-Xylulosereduktaseaktivität in H. jecorina identifiziert und charakterisiert werden und ihre Rolle in den verschiedenen Stoffwechselwegen geklärt werden. Der filamentöse Pilz unserer Wahl ist Hypocrea jecorina, ein Organismus mit einer breiten biotechnologischen Anwendung im Bereich der Weißen Biotechnologie. Auf Grund seiner exzellenten Sekretionskapazitäten, werden von diesem Pilz produzierte Enzyme in den verschiedensten Industrie und Nahrungsmittelbereichen eingesetzt. Die Sequenzierung seines Genoms wurde abgeschlossen und bildet eine exzellente Basis für die weitere Forschung mit diesem Organismus.
Das Projekt "Optimierung der Biogaserzeugung aus Zuckerrübenschnitten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Landtechnik durchgeführt. Die Energieausbeute aus Energiepflanzen und organischen Reststoffen die in den Biogasanlagen verwertet werden liegt zwischen 40 und 70 Prozent des Bruttoenergiegehaltes. Der Rest fließt unabgebaut in das Endlager und wird anschließend auf die Felder ausgebracht. Die dadurch entstehenden Energieverluste können durch eine geeignete Vorbehandlung vermieden, die Methanausbeute gesteigert und die Wirtschaftlichkeit der Biogasanlagen verbessert werden. In vorliegendem Versuch wurden unterschiedliche Vorbehandlungsmaßnahmen von Zuckerrübenschnitzeln untersucht. Folgende Behandlungen wurden getestet: Enzyme (Zellulasen, Hemizellulasen), Thermische Vorbehandlung, thermischer Vorbehandlung in Kombination mit Harnstoff, thermische Behandlung in Kombination mit Ameisen-/Essigsäure, mechanische Zerkleinerung Vorbehandlung mit Natronlauge. - Durch den Zusatz von Enzymen (Zellulasen und Hemizellulasen) wurde die spezifische Methanausbeute der Zuckerrübenschnitzel um 11 Prozent erhöht. Über den gesamten Verlauf der Vergärung lag die spezifische Methanausbeute dieser Variante über dem der unbehandelten Variante. - Die Zerkleinerung der Zuckerrübenschnitzel erhöhte die spezifische Methanausbeute um 7 Prozent. In dieser Variante gab es aber zu Beginn der Versuchsphase einen verzögerten Abbau und eine dadurch gehemmte Methanbildung. Die Zerkleinerung der Zuckerrübenschnitzel führt wahrscheinlich zu einer Verklebung des zerkleinerten Materials und damit zur Ausbildung größerer Aggregate. Solche Aggregate besitzen eine geringere Oberfläche als das Ausgangsmaterial und damit auch eine geringere Angriffsfläche für die Mikroorganismen. -Keinen positiven Einfluss auf die spezifische Methanausbeute der Zuckerrübenschnitzel hatten alle anderen Vorbehandlungsmaßnahmen, die in der vorliegenden Untersuchung getestet wurden: (a) Dampfbehandlung, (b) Zugabe von Harnstoff, (c) Zugabe von Ameisen- und Essigsäure und (d) Zugabe von Natronlauge.