Mikrobielle Diversität in Biogasreaktoren Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum agriculturarum (Dr. rer. agr.) eingereicht an der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin von Dipl. Ing. Khadidja Souidi, 03.09.1972, Alger Algerien Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin: Prof. Dr. Christoph Markschies Dekan der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät: Prof. Dr. Dr. h.c. Otto Kaufmann Gutachter: 1. Prof. Dr. B. Linke 2. Dr. M. Klocke 3. Prof. Dr. G. Westphal Tag der mündlichen Prüfung: 8. Februar 2008 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung........................................................................................................ IV Zusammenfassung (englisch) ................................................................................... VIII Widmung....................................................................................................................... IX Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................X Danksagung .................................................................................................................. XI 1 Einleitung und Zielstellung ...................................................................................1 2 Stand der Forschung..............................................................................................3 2.1 Einzellige (Mikro-) Organismen: Prokaryoten und Eukaryoten..............................3 2.1.1 Prokaryotische Mikroorganismen: Grundsätzlicher Aufbau ..........................3 2.1.2 Prokaryotische Mikroorganismen: Bacteria....................................................4 2.1.2.1 Vorkommen und Lebensräume.........................................................4 2.1.2.2 Morphologie.....................................................................................5 2.1.2.3 Physiologie.......................................................................................5 2.1.3 Prokaryotische Mikroorganismen: Archaea....................................................5 2.1.3.1 Vorkommen und Lebensräume.........................................................6 2.1.3.2 Morphologie.....................................................................................6 2.1.3.3 Physiologie.......................................................................................7 2.1.3.4 Taxonomie........................................................................................7 2.2 Methoden der mikrobiellen Taxonomie...................................................................9 2.2.1 Phänotypische Charakterisierung..................................................................10 2.2.1.1 Charakterisierung der Morphologie..............................................10 2.2.1.2 Charakterisierung der Physiologie................................................11 2.2.2 Genotypische Charakterisierung...................................................................12 2.2.2.1 Struktur der Ribosomen und Ribotyping........................................13 2.2.2.2 Nukleinsäure-Hybridisierung.........................................................14 2.2.2.3 Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH)...................................14 2.2.2.4 Sequenzanalyse der RNA oder DNA ..............................................15 2.2.2.5 Analyse anderer Gene....................................................................16 2.2.2.6 Analyse des gesamten Genoms ......................................................16 2.2.3 Bioinformatische Ressourcen.......................................................................17 2.2.3.1 National Center for Biotechnology Information (NCBI) ...............17 2.2.3.2 Das Ribosomal Database Project (RDP).......................................17 2.2.3.3 Programme für den Vergleich von Nukleotidsequenzen: Clustal..17 2.2.3.4 Programme für phylogenetische Analysen: MEGA .......................18 2.3 Molekulargenetische Verfahren zur Analyse komplexer mikrobieller Lebensgemeinschaften...........................................................................................19 2.3.1 Anlage einer 16S rDNA Bank ......................................................................19 2.3.2 ARDRA (Restriktionsanalyse der amplifizierten 16S rDNA)......................19 2.3.3 Environmental Genomics..............................................................................20 Inhaltsverzeichnis II 2.4 Anaerober Abbau von organischen Substanzen.....................................................20 2.4.1 Hydrolyse ......................................................................................................22 2.4.2 Acidogenese ..................................................................................................22 2.4.3 Acetogenese ..................................................................................................22 2.4.4 Methanogenese..............................................................................................23 2.4.5 Mikrobiologie der Fermentation ...................................................................24 2.4.6 Sulfatreduktion als konkurrierender Prozess der Fermentation und Methanogenese..............................................................................................25 2.4.7 Mikrobiologie der Methanogenese ...............................................................25 2.5 Technische Systeme zur Erzeugung von Biogas ...................................................27 2.5.1 Fermentationen mit granuliertem Schlamm..................................................27 2.5.2 Rührkessel-Reaktoren ...................................................................................27 2.5.3 Anaerobe Festbettreaktoren mit Biofilm.......................................................27 2.5.4 Substrate für die Biogasgewinnung ..............................................................28 3 Material und Methoden.......................................................................................30 3.1 Bioreaktorbetrieb und Probennahme......................................................................30 3.1.1 Betrieb des CSTR-Reaktors..........................................................................30 3.1.2 Betrieb des kombinierten Systems aus leach-bed Reaktor und Anaerobfilter .......................................................................................................................31 3.2 DNA-Extraktion.....................................................................................................32 3.3 Vervielfältigung der prokaryotischen 16S rDNA mittels Polymerasekettenreaktion (PCR) .....................................................................................................................33 3.4 Klonierung und Reaktionsanalyse der amplifizierten 16S rDNA (ARDRA) ........34 3.5 Sequenzierung und phylogenetische Analyse........................................................36 3.6 Anlage von Stammkulturen ...................................................................................36 4 Ergebnisse .............................................................................................................37 4.1 Mikrobielle Diversität in einer biogas-produzierenden Kofermentation von Maissilage und Rindergülle (Normaler Prozesszustand) .......................................37 4.1.1 Betrieb des CSTR..........................................................................................37 4.1.2 Analyse der 16S rDNA Bibliotheken............................................................38 4.1.2.1 Domäne Archaea............................................................................39 4.1.2.2 Domäne Bacteria ...........................................................................42 4.2 Mikrobielle Diversität in einer biogas-produzierenden Kofermentation von Maissilage und Rindergülle (Unnormaler Prozesszustand mit stark erhöhten pH- Werten nach zu starker Belastung) ........................................................................50 4.2.1 Betrieb des CSTR..........................................................................................51 4.2.2 Analyse der 16S rDNA Bibliotheken............................................................51 4.2.2.1 Domäne Archaea............................................................................53 4.2.2.2 Domäne Bacteria ...........................................................................54 4.3 Mikrobielle Diversität in einer biogas-produzierenden zweistufigen Fermentation von Triticale-Silage (Normaler Prozesszustand) ...................................................62 Inhaltsverzeichnis III 4.3.1 Betrieb des Reaktors.....................................................................................62 4.3.2 Analyse der 16S rDNA Bibliotheken............................................................63 4.3.2.1 Leach-bed Reaktor (Stufe 1) – Vergärung der Silage....................64 4.3.2.2 Festbett-Anaerobfilter (Stufe 2) – Methanogenese-Stufe...............67 4.4 Der Vergleich der detektierten Archaea OTU innerhalb der untersuchten Biogasreaktoren (CSTR im Normal- und Übersäuerungs-Zustand, zweistufiges Reaktorsystem).......................................................................................................69 5 Diskussion .............................................................................................................71 5.1 Methodische Aspekte.............................................................................................71