März 199 0 Abschätzung und Beurte~lung der mikro~iellen Mobilisierung chemischer Elemente im Endlager Grube Konrad Inhaltsverzeichnis: 1. Einleitung 2, Kurzbeschreibung der relevanten Bakterien 2.1 Sulfat- und Schwefel~ reduziere~de Bakte~ien 2:1~1 Sulfat- reduzierende Bakterien Desulfovibri6 Desulfonema Desulfobacter Desulfobulbus Desulfosarcina Desulfotomaculum Desulfomonas Desulfococcus Desulfobacterium Thermodesulfobacterium 2.1 . 2 Schwefel- reduzierende Bakterien Desulfuromonas 2 . 2 Schwefel- ox i dierende Bakterien Thiobaci1lus Thiomicrospira Thiosphaera Acid.iphilium Thiobacterium Macromonas Thermo.thr'ix Thiobacilltis Q Sulfobacillus 2 . 3 Nitrat- reduzierende Bakterien Paracoccus Pseudomonas Moraxella Neisseria Flavobacterium Corynebacterium Wolinells. Campylobacter, Vibrio Citrobacter Klebsiella Azotobacter Azomonas Veill o nella Clostridium Bacillus Seite: 2 12 14 15 16 17 20 20 21 24 25 27 39 43 44 45 46 46 47 48 49 50 52 52 52 53 53 53 55 55 56 56 .57 57 58 58 Escherichia59 Selenomonas Propionibacte~ium Bradyrhizobium60 Salmonella Staphylococcus 59 60 61 61 2.4 Eis en- und Mangan- oxidierende Bakterien Siderocapsa Naumanni'e lla Siderococcus Ochrobium Gallionella Sphaerotilus Leptothrix Metallogenium Hyphomicrobium Leptospirillum Pseudomonas Thiobacillus 2. 5 Eisen- und Mangan- reduzierende Bakterien Bac teroides Clo stridium Bacillus Mycobacterium Agrobacterium Aquaspirillum Enterobacter Micrococcus Serratia Bacillus 2 . 6 Methanogene Bakterien Methanoba cterium Methanobrevibacter Methanothermus Methanococcus Methanomicrob i um Metha.nospirillum 1-iethanogenium Methanosarcina Methanolobus Methanothrix Methanococcoides Methartoplanus Methanosphaera Me t hanoco rpus c u lum Methanohalophilus 2 . 7 Re stliche Archaebakterien Archaeoglobus Thermoplasma Th.e rmoco ccus Pyrococcus Thermoproteus Thermofilum Desulfurococcus Staphylothermus Pyrodictium Sulfolobus Acidianus Desulfurolobus Pyrobaculum NS-C 62 64 66 66 67 67 68 69 70 71 72 73 74 '7 „ ( "i' 74 75 75 76 76 77 77 79 80 85 87 88 92 93 94 97 100 101 1 02 103 104 104' 106 107 108 109 110 111 111 112 112 113 113 114 115 115 116
Das Projekt "Teilvorhaben: 6.2 Synergie von Power to Gas und Bioabfallbehandlung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Stadtreinigung Hamburg, Anstalt öffentlichen Rechts, Abteilung Kommunikation und Innovation durchgeführt. Am BKW Bützberg verwertet die SRH AöR Bioabfall durch diskontinuierliche Vergärung in einem Perkolationsverfahren. Biogas wird mittels Aminwäsche aufbereitet und Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist. CO2-Abgas wird über ein Gasumwälzsystem zur Spülung der Fermenter verwendet. Die Roh-Biogaszusammensetzung ist ca. 55%CH4/45%CO2. CO2 ist bereits im Rohgas vergleichsweise hoch konzentriert. Es ist naheliegend, dieses CO2 zur Methanisierung mit Wasserstoff zu nutzen. Biologische Methanisierung von H2 und CO2 (aus hydrolytischen Abbauprozessen) durch Archaeen ist ein Teilvorgang der Biogasbildung. Bei nachlassender Hydrolyseaktivität (diskontinuierliche Vergärung) sinkt der H2-Partialdruck, nimmt die Aktivität der Archaeen ab und die der acetoklastischen Methanbildner steigt. Zusätzliche Wasserstoffzufuhr verstärkt dann die Aktivität der Archaeen und Gär-CO2 wird zusätzlich zu Methan umgesetzt - die Biogasqualität wird erhöht. Wasserstoff am Standort der Bioabfallvergärung durch Nachrüstung einer Elektrolyse aus regenerativem Überschussstrom klimaneutral zu erzeugen, in den Fermentern mit Gär-CO2 zu methanisieren, zu Biomethan/SNG aufzukonzentrieren und in das Erdgasnetz einzuspeisen bietet Synergien zur Überschussstromspeicherung im Erdgasnetz und sektorenübergreifenden Nutzung. Demonstration der Machbarkeit und der Synergiepotentiale für PtX an einer Bioabfallbehandlungsanlage mit Vergärungsstufe, Biomethanerzeugung und -einspeisung in das Erdgasnetz mit besonders geringem verfahrenstechnischem Aufwand. Bilanzierung der Stoffströme und der Stoffumsetzung in Abhängigkeit zu den Prozessparametern, Ermittlung der externen Rahmenbedingungen wie Grenzwerte für H2 bei der Einspeisung von Biomethan, Bilanzierung der CO2-Einsparungen, Wirtschaftlichkeitsermittlung, Analyse wirtschaftlicher Hemmnisse und Empfehlungen zur Verminderung dieser Hemmnisse.
Das Projekt "Untersuchungen des Methan Paradoxons in Seen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Methan ist ein höchst potentes Treibhausgas, dennoch ist das globale Methanbudget durch die vielen unbekannten CH4-Quellen und -senken sehr unsicher. Die Höhe der CH4-Anreicherung in der Wassersäule hängt von komplexen Interaktionen zwischen methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien ab. Das bekannte Methan Paradoxon, das die CH4-Übersättigung im oxischen Oberflächenwasserkörper von Seen und Meeren darstellt, weckt Zweifel, dass die mikrobielle CH4-Bildung nur im anoxischen Milieu stattfindet. Im oligotrophen Stechlinsee haben wir eine wiederkehrende Methanübersättigung im Epilimnion gefunden. Unsere Studien zeigen, dass das CH4 aktiv in der oxischen Wassersäule produziert wird. Die Produktion scheint dabei an die autotrophe Produktion von Grünalgen und Cyanobakterien gekoppelt zu sein. Zur gleichen Zeit sind keine methanotrophen Bakterien im Epilimnion vorhanden, so dass das CH4 nicht oxidiert wird. Unsere Haupthypothese ist, dass pelagische Methanogene hydrogenotroph sind, wobei sie den Wasserstoff aus der Photosynthese und/oder Nitrogenaseaktivität nutzen. Unsere Untersuchungshypothesen sind:1) Die CH4-Produktion ist mit der Photosynthese und/oder N-Fixierung gekoppelt, wobei hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit den Primärproduzenten assoziiert sind. Die Methanogenen können angereichert und kultiviert werden, um Mechanismen der epilimnischen CH4-Produktion detailliert zu untersuchen.2) Die CH4-Oxidation ist durch die Abwesenheit der Methanotrophen und/oder der Photoinhibition in den oberen Wasserschichten reduziert.3) Die CH4-Produktion innerhalb mikro-anoxischer Zonen, z. B. Zooplankton und lake snow, ist nicht ausreichend für die epilimnische CH4-Produktion.Die saisonale Entwicklung des epilimnischen CH4-Peaks soll in Verbindung mit den Photoautotrophen und der Seenschichtung im Stechlinsee untersucht werden. Dabei soll eine neu-installierte Mesokosmosanlage (www.seelabor.de) genutzt werden, um CH4-Profile bei unterschiedlichen autotrophen Gemeinschaften und Seenschichtungen zu studieren. Die Verknüpfung zwischen methanogenen Archaeen und den Photoautotrophen soll in Inkubationsexperimenten mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und qPCR für funktionelle Gene untersucht werden. Methanotrophe werden quantifiziert und die Photoinhibition der CH4-Oxidation durch Inkubationsexperimente gemessen. In Laborexperimenten sollen die methanogenen Archaeen angereichert und kultiviert werden mittels dilution-to-extinction und axenischen Cyanobakterien und Grünalgen. Physiologische Studien an Anreicherungs- oder Reinkulturen sollen die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen ermitteln. Feld- und Laborexperimente sollen helfen, das Methan Paradoxon zu entschlüsseln, um die bisherige und potentiell wichtige CH4-Quelle zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Studien sollen helfen, unser Verständnis des globalen CH4-Kreislaufes zu verbessern, damit zukünftige Prognosen realistischer werden.
Das Projekt "Teilprojekt: Einfluss von Landnutzungsintensität auf Methanumsetzende Mikroorganismen in Grünland- und Waldböden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V. - Programmbereich 1 Landschaftsprozesse - Arbeitsgruppe Mikrobielle Biogeochemie durchgeführt. Methan (CH4) ist, neben CO2 das zweitwichtigste Treibhausgas (GHG). Die aktuelle atmosphärische Methankonzentration steigt seit 2007, vermutlich aufgrund von anthropogenem Einfluss bedingt durch intensivierte landwirtschaftliche Lebensmittelproduktion, stark an. Eine wichtige Aufgabe wird es zukünftig sein, die heutige Intensität der Landwirtschaft produktiv, aber auch gleichzeitig klimaneutral zu gestalten um dem Lebensmittelbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu entsprechen. Zwei fundamental unterschiedliche Gruppen von Prokaryoten sind für den CH4 Umsatz in Böden verantwortlich. Methanotrophe Bakterien (MOB) wirken durch die Oxidation von atmosphärischem CH4, und von CH4, das durch methanogene Archaea im Boden produziert wurde bevor es die Atmosphäre erreicht, als biologische Filter. Derzeit ist nicht geklärt, inwieweit sich Unterschiede in der Landnutzungsintensität auf die funktionelle Diversität und die Aktivität dieser im Methanzyklus wichtigen Mikroorganismengruppen auswirken. Erste Untersuchungen zeigen einen negativen Effekt von hoher Nutzungsintensität auf die Methanaufnahme von gut belüfteten Grünlandböden. Allerdings ist wenig bekannt über den Einfluss der Landnutzungsintensität auf die räumliche und zeitliche Dynamik methanotropher und methanogener Bodenmikroorganismen. Wir haben ein interdisziplinäres Konsortium aus Experten der Bodenkunde, der Mikrobiologie und der Metagenomik mit komplementären Expertisen zu bodenbürtigen Treibhausgasen, methanotrophen und methanogenen Prokaryoten zusammengestellt. Durch die Kombination von aktuellen Methoden wollen wir die Biodiversitätsexploratorien als ideale Plattform nutzen, um die Frage zu beantworten, inwieweit Landnutzungsintensität die funktionelle Diversität und Aktivität von Methanumsetzenden Mikroorganismen beeinflusst.Die zugrundeliegenden Hypothesen wollen wir in zwei Arbeitspaketen (WP) überprüfen. Innerhalb von WP1 wollen wir untersuchen, welche Auswirkungen die Landnutzungsintensität von Grünland und Waldflächen auf die Methanflüsse und die Abundanz und Diversität von methanotrophen Bakterien (quantitative PCR) hat, und inwieweit dies von Umweltfaktoren abhängt. In WP2 wollen wir die jahres- und tageszeitliche Dynamik der Aktivität von methanogenen und methanotrophen Prokaryoten (mittels Metatranskriptomik und Methanfluss Messungen) untersuchen, und inwieweit diese durch Grünlandnutzungsintensität beeinflusst wird. Hierbei wird unser Fokus auf dem Vergleich auf Grünlandflächen auf wasserbeeinflussten Histosolen und gut durchlüfteten Leptosolen liegen. Unser Projekt BE-CH4 wird zu dem dringend benötigten Wissen um den Einfluss von Grünland- und Waldnutzungsintensität auf die räumliche und zeitliche Dynamik von den Methanfluss aus, und in Böden bedingenden Mikroorganismen beitragen.
Das Projekt "Auswirkungen eines erhöhten CO2-Partialdruck auf die Struktur und Funktion mikrobieller Lebensgemeinschaften des Bodens, der Rhizosphäre und Rhizoplane im Langzeitversuch" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Institut für Angewandte Mikrobiologie, Professur für Mikrobiologie der Recycling-Prozesse durchgeführt. Zusammensetzung und zeitliche Veränderungen der mikrobiellen Lebensgemeinschaften von Rhizoplane, Rhizosphäre und des Bodenkörpers eines extensiv genutzten Grünlandes sollen unter derzeitigem und erhöhtem atmosphärischen CO2-Partialdruck im Langzeitversuch (unter Einbindung und Verzahnung in das beantragte Vorhaben des Instituts für Pflanzenökologie der JLU-Gießen; Prof.Dr. H.-J. Jäger) untersucht werden. Dabei sollen molekularbiologische und z.T. klassisch kulturelle Verfahren zum Einsatz kommen. Untersuchungen zur Zusammensetzung der mikrobiellen Lebensgemeinschaften sollen mittels der in situ-Hybridisierung mit unterschiedlich spezifischen 16S bzw. 23S rRNA gerichtete Oligonukleotidsonden erfolgen (Gesamtzellzahlenbestimmug mittels DAPI Färbung). Dabei sollen mit Bezug auf das o.g. Parallelprojekt die Nitrifikanten und methanogenen Organismen quantifiziert und hinsichtlich ihrer Zusammensetzung beschrieben werden (Spurengasmessungen erfolgen parallel durch die AG Jäger). Eine Quantifizierung (und nachgehende weitgehende Qualifizierung) der Nitrifikanten, der methano- und der methylotrophen Organismen soll mittels des Most Probable Number (MPN) Verfahrens erfolgen. Zusätzlich soll die Bestimmung des Gehaltes an mikrobiellem C und N nach Fumigationextraktion erfolgen, um Zusammenhänge zwischen der direkt ermittelten Zellzahl und dem Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff in der mikrobiellen Biomasse zu erfassen.
Das Projekt "Der Einfluss atmosphärischer, biologischer und geologischer Prozesse auf die Große Sauerstoffkatastrophe" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Berlin Adlershof durchgeführt. Die große Sauerstoffkatastrophe (Great Oxidation Event - GOE) kennzeichnet den starken Anstieg von molekularem Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre während der Frühgeschichte der Erde, was flächendeckende Habitabilität ermöglicht und komplexes Leben auf der Erde erlaubt. Viele Fragen sind diesbezüglich weiterhin offen. Was dazu führte, dass sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, der Zeitpunkt und das Ausmaß sind nicht gut bestimmt. Erst jetzt ist es möglich die komplizierten Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen, biologischen und geologischen Prozessen zu identifizieren. Das sich daraus ergebende Absterben methanogener Lebensformen und das Auftreten eines sogenannten Schneeball-Erden-Zustandes sind Beispiele für die extremen Auswirkungen des GOE. Eine zentrale Frage, die wir untersuchen, ist ob der GOE in einem linearen oder, aufgrund einer möglichen Bistabilität von Sauerstoff, in einem sprungweisen Anstieg von O2 erfolgte. Des Weiteren studieren wir den Einfluss des Kohlenstoffzyklus und des Klimas auf die Charakteristika und den Zeitpunkt des GOE. Wir wenden unsere Erfahrung in eindimensionalen (1D) und 3D Klimamodellierungen an, um die Auswirkung unterschiedlicher Klima auf den GOE zu ermitteln. Um dies zu erreichen entwickeln und verwenden wir unser einzigartiges Atmosphärenmodell mit detailliertem Sauerstoffzyklus (inklusive zum Beispiel Verwitterungsprozesse, atmosphärische Photochemie) welches die Atmosphäre, Biosphäre und Geosphäre umfasst. Ein wichtiges Ziel ist die Analyse der Kernprozesse für den GOE unter der Berücksichtigung jüngster Ergebnisse geologischer Untersuchungen (zu zum Beispiel Oberflächendruck, atmosphärischen Treibhausgases, usw.).
Das Projekt "Etablierung einer nachhaltigen methanogenen Kohlendioxidreduktion in bioelektrochemischen Systemen und Identifizierung kinetischer und thermodynamischer Restriktionen." wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ruhr-Universität Bochum, Institut für Infrastruktur und Umwelt, Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik durchgeführt. Bioelektrochemische Systeme ermöglichen die Speicherung elektrischer Energie in Form von Methan (CH4), jenem transportablen Gas, dessen spätere energetische Verwertung bereits von einer vorhandenen Erdgasinfrastruktur profitieren kann. In den genannten Bioreaktoren stellt eine Kathode Elektronen für die Reduktion von Kohlendioxid (CO2) zu Methan (CH4) über ein anaerobes Mikrobiom bereit. Die Ziele dieses Vorhabens können in zwei Bereiche unterteilt werden: i) Entwicklung und Untersuchung von Fe4.5Ni4.5S8-Elektroden, die die katalytischen Eigenschaften wichtiger Enzyme der methanogenen Prozesse imitieren; und ii) Verwendung der Kohlenstoffisotopenanalyse zur Unterstützung einer umfassenden Prozessanalyse und zur Simulation der CH4-Bildung aus CO2 in Bioreaktoren. Die Hypothese für die Untersuchungen zu den Isotopeneffekten ist, dass bei der CH4-Bildung unter Verwendung direkter Elektronenübertragungswege die 13C-Fraktionierung von der verfügbaren freien Energie für den methanogenen Stoffwechsel abhängig ist, analog zur hydrogenotrophen Methanogenese. Eine variable 13C-Fraktionierung wird auch bei autotrophen CO2-Fixierungsprozessen durch Bakterien, Archaeen und Algen beobachtet. Mit Hilfe dieser Hypothese werden wir eine Modellstruktur auf Basis der 13C-Analysedaten zur detaillierten Beschreibung der Produktbildungserträge mit thermodynamisch abhängiger Wachstumskinetik und detaillierter Berechnung der stabilen Kohlenstoffisotopenfraktionierung entwickeln. Dieses Modell soll für den methanogenen CO2-Reduktionsweg mit verschiedenen Elektronendonatoren gelten. Daher werden Gasdiffusionskathoden eingesetzt, um eine sofortige Änderung der Elektronendonatorquelle zu ermöglichen, durch eine Begasung mit Wasserstoff (H2) oder durch die Bereitstellung eines elektrischen Stroms. Letztendlich werden durch die 13C-basierte thermodynamische Analyse ideale Bedingungen für den Vergleich des neuen Fe4.5Ni4.5S8-Elektroden mit Benchmark-Elektroden geschaffen. Wir gehen davon aus, dass die funktionellen biomimetischen Hydrogenase und CO-Dehydrogenase Modelle aus den Fe4.5Ni4.5S8-Elektroden die methanogene CO2-Reduktion begünstigen können, was aus den thermodynamischen Randbedingungen direkt abgeleitet werden kann. Die Untersuchungen werden parallele biologische Experimente mit offenen Mikrobiomen und Reinkulturen umfassen. Assays mit Methanogenen aus der Gattung Methanothrix sind vielversprechend für eine direkte Bestimmung der 13C-Fraktionierung bei der H2-freien Methanogenese aus CO2, da diese die CO2-Reduktion nur durch direkte Elektronenübertragungsmechanismen durchführen können.
Das Projekt "Zooplankton assoziierte Methanproduktion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut für Ostseeforschung durchgeführt. Methan ist ein bedeutendes Treibhausgas, das einen starken Einfluss auf die Klimaentwicklung der Erde nimmt. Zurzeit sind das Wissen um die verschiedenen Methanquellen und deren atmosphärischer Einfluss noch äußerst lückenhaft. Eine Quelle, die hier von besonderer Wichtigkeit sein könnte, ist die mikrobielle Methanproduktion innerhalb des Darms bestimmter Zooplanktonorganismen bzw. der von ihnen ausgeschiedenen Kotpillen. Diese Quelle ist hauptsächlich in der oberen sauerstoffhaltigen Wassersäule angesiedelt und kann somit einen unmittelbaren Einfluss auf den Methanfluss zwischen Ozean und Atmosphäre nehmen. In unserem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass in hochproduktive Regionen, wie z.B. in Randmeeren, diese Zooplankton-basierte Methanproduktion besonders stark ausgeprägt ist. Des Weiteren vermuten wir, dass die zeitweise in der Ostsee beobachtete subthermokline Methananomalie durch diese Methanquelle hervorgerufen wird. Im ZooM-Projekt werden wir deshalb die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion im Modellgebiet Ostsee mit Hilfe eines multidisziplinären Ansatzes untersuchen, indem wir die Fachgebiete Methanchemie, Mikrobiologie und Zooplanktologie konzertiert einsetzen. Im Detail wollen wir die folgenden Schlüsselfragen beantworten: (1) Ist die subthermokline Methananomalie ein verbreitetes Phänomen in der Ostsee und können wir saisonale und regionale Unterschiede in ihrer Ausprägung identifizieren? (2) Besitzt die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion das Potential die beobachtete Methananomalie auszubilden und wie beeinflussen Copepodenarten und Umweltbedingungen (wie die Nahrungszusammensetzung) die Methanproduktion? (3) Welche methanogenen Mikroorganismen sind in die subthermokline Methanproduktion im Copepoden-Darm und ihren Kotpillen involviert und lassen sich Unterschiede der beteiligten methanogenen Gemeinschaften und deren Aktivität ausmachen?
Das Projekt "Steigerung der Prozessstabilität und Kinetik bei der anaeroben Vergärung von Bioabfall durch gezielte Stimulation des direkten Interspezies-Elektronentransfers zwischen syntrophen Mikroorgansimen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Emden,Leer, Fachbereich Technik, Abteilung Naturwissenschaftliche Technik, Fachgebiet Mikrobiologie-Biotechnologie durchgeführt. Die mikrobielle Umsetzung von organischem Material zu dem erneuerbaren Energieträger Methan ist eine bewährte und verbreitete Strategie der effektiven Abfallwirtschaft. In einem solchen methanproduzierenden Milieu nutzen elektrisch verbundene Bakterien und Archaeen direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET), als Alternative zum Interspezies-Formiat- und Wasserstofftransfer (IHT). Grundlegende Aspekte der mikrobiellen Ökologie in Bezug auf DIET sind dabei jedoch noch unerforscht, insbesondere der Stellenwert für die Biogasproduktion. Bis jetzt haben sich Studien zum Großteil auf DIET in Ko-Kulturen von wenigen Modellorganismen beschränkt, die für die Abwasserbehandlung in UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) eine Rolle spielen. Wir beabsichtigen weithin anwendbare Erkenntnisse über die Zusammenhänge der syntrophen mikrobiellen Gemeinschaft und dessen Funktion in mesophilen und thermophilen Biogasreaktoren mit Hilfe moderner molekularbiologischer und mikrobiologischer Methoden zu generieren, um letztendlich eine höhere Prozessstabilität und Effizienz zu ermöglichen. Zentrale Ziele sind die Identifizierung neuer Organismen die an DIET beteiligt sind und das Verständnis der zugrundeliegenden genetischen Mechanismen. Der Schwerpunkt wird auf Bioabfall vergärende Anlagen liegen, die sich wesentlich von mesophilen UASB Reaktoren durch Konstruktion, Betriebsweise, Temperatur und Substratzusammensetzung unterscheiden. Wir vermuten, dass DIET ein weit verbreiteter Alternativprozess zum IHT bei der anaeroben Vergärung von Biomasse ist, wobei beide Prozesse wahrscheinlich parallel ablaufen. In dem vorgeschlagenen Projekt wird DIET erstmals in thermophilen aber auch in mesophilen Systemen Gegenstand der Forschung sein. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung neuer Substrate, die von den syntrophen Konsortien während DIET umgesetzt werden können. Hier wird der Fokus auf syntrophe Propionat- und Butyratoxidierer liegen, die für den anaeroben Abbau von organischem Material eine Schlüsselrolle spielen. Mittels Metagenomik wird das Stoffwechselpotential rekonstruiert und Genexpressionsmuster im Zusammenhang mit IHT und DIET werden mittels Transkriptomik untersucht. DIET ist möglicherweise vorteilhaft für die Stabilität des Vergärungsprozesses, da die Produktion von Wasserstoff umgangen wird, welcher schon in geringer Konzentration die Oxidation von kurzkettigen Fettsäuren inhibieren kann. Deshalb planen wir physiologische Vorteile von DIET gegenüber IHT in Anreicherungskulturen zu untersuchen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind essentiell um das Potential der Biogasproduktion im vollen Umfang auszuschöpfen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse auch für andere Forschungsgebiete relevant sein, wo elektrisch verbundene Mikroorganismen eine Rolle spielen, beispielsweise bei der Minimierung von Treibhausgasemission in methanogenen Habitaten oder bei der Nutzung in mikrobiellen Brennstoffzellen.
Das Projekt "Makro-Skala-Modellierungskonzepte für das Wachstum und den advektiven Transport von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Clausthal, Institute of Subsurface Energy Systems durchgeführt. Poröse Medien bieten exzellente Lebensbedingungen für Bakterien, da ihr Lebensraum geschützt ist aber trotzdem eine kontinuierliche Nahrungezufuhr möglich ist. Folglich existieren Mikroorgansimen in vielen natürlichen und technischen porösen Medien und haben dort einen großen Einfluss. Wenn diese für technische oder industrielle Anwendungen genutzt werden, ist es sehr wichtig die Wechselwirkungen zwischen Strömung, Transport und mikrobiologischen Prozessen zu verstehen. In der Literatur ist eine Vielzahl von Modellierungsmethoden vorhanden, jedoch sind diese in der Regel unter einphasigen Strömungsbedingungen entwickelt worden. Es ist schwierig mikrobiologische Prozesse in den natürlichen und komplexen Porenstrukturen von Gesteinen (wie z.B. Anhaften/Ablösen und Bildung von Biofilmen) zu beobachten und demzufolge sind diese Prozesse unzureichend erforscht. In diesem Projekt werden künstliche Strukturen geschaffen, die den Porenstrukturen des Gesteins nachempfunden sind und dafür benutzt, das Verhalten von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien zu untersuchen. Diese transparenten sozusagen zweidimensionalen Mikromodelle erlauben eine direkte Beobachtung der mikrobiologischen Prozesse, wie z.B. Wachstum, Transport und Anhaftung/Ablösung von Bakterien, durch mikroskopische Auswertungen. Die Bakterien, die für die experimentellen Untersuchungen eingesetzt werden, gehören zu der Klasse der methanogenen Archaeen. Die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse durch Bilddatenverarbeitung erlaubt es, zeitlich und räumlich aufgelöste Datensätze für die Anzahl, Struktur und Bewegung der Bakterien zu erzeugen. Aus diesen Datensätzen wird ein verbessertes mathematisches Modell entwickelt, welches das Wachstum und die Bewegung von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien beschreibt. Das Modell soll das bakterielle Wachstum unter nicht-nährstofflimitierten Bedingungen, das Vorhandensein von verschiedenen bakteriellen Strukturen (Plankton und Biofilm), die individuellen Bewegungseigenschaften und die Anhaftungs- und Ablösevorgänge berücksichtigen. Um das neu entwickelte Modell zu testen und zu parametrisieren, wird es auf Basis eines diagonal-impliziten Runge-Kutta-Verfahrens, welches für die stark nicht-linearen Quellterme gut geeignet ist, numerisch umgesetzt. Die Anwendung des theoretischen Modells bezieht sich auf die Technologie der Untergrundmethanisierung, in welcher das injizierte Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durch mikrobiologische Reaktionen in Methan umgewandelt wird.
| Origin | Count |
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| Bund | 143 |
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| Förderprogramm | 142 |
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| Lebewesen & Lebensräume | 143 |
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