Prozesskontrolle und Optimierung der Biogasproduktion mittels Metaproteomanalyse<\/p>\n
Zusammenfassung<\/p>\n
Der Abbau von biologischen Abf\u00e4llen zu Methan in Biogasanlagen durch eine komplexemikrobielle Gemeinschaft stellt eine der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen dar. Voraussetzungf\u00fcr die Erh\u00f6hung der Methanproduktion ist ein detailliertes Verst\u00e4ndnis \u00fcberdie Funktionsweise der beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften. Daher sollte im Rahmendieser Promotionsarbeit die taxonomische und funktionelle Zusammensetzung der mikrobiellenGemeinschaften in m\u00f6glichst vielen industriellen Biogasanlagen basierend auf denProteinen (Metaproteom) charakterisiert werden. Zus\u00e4tzlich sollte der Einfluss einzelnerProzessparameter auf die taxonomische und funktionelle Zusammensetzung der mikrobiellenGemeinschaften untersucht und m\u00f6gliche Markerproteine f\u00fcr die entsprechendenBetriebsweisen identifiziert werden.Zu diesem Zweck wurde ein zuverl\u00e4ssiger und hoch aufl\u00f6sender Metaproteomworkflowetabliert und weiterentwickelt. Dieser umfasste die Extraktion der Proteine mit Phenol ineiner Kugelm\u00fchle, das Einlaufen der Proteine in eine SDS-PAGE, den tryptische Verdauund die Messung mittels Elite Hybrid Ion Trap-Orbitrap MS\/MS. F\u00fcr die anschlie\u00dfendeProteinidentifikation wurde mit Mascot gegen UniProtKB\/Swiss-Prot und mehrere Metagenomegesucht, bevor die Proteine nach UniRef50 Clustern gruppiert wurden und dietaxonomische und funktionelle Auswertung mit der neu entwickelten MetaProteomeAnalyzerSoftware erfolgte. Mit diesem Workflow konnten 40 Biogasanlagenproben analysiertund pro Biogasanlage bis zu 859 Metaproteine identifiziert werden.Die mikrobiellen Gemeinschaften von robust arbeitenden Biogasanlagen \u00e4nderten sich wenigund waren funktionell sehr \u00e4hnlich. Schl\u00fcsseltaxa waren Bakterien der Ordnungen Bacillales,Enterobacteriales, Bacteriodales und Clostridiales sowie die ArchaeenordnungenMethanobacteriales, Methanosarcinales und Methanococcales. Wesentliche Stoffwechselpfadevon Biogasprozessen ausgehend von der Hydrolyse bis zur Methanogenese konntendurch die identifizierten Metaproteine belegt werden. Trotz der gro\u00dfen funktionellen \u00c4hnlichkeitder mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Biogasanlagen zeigte die Cluster- und Hauptkomponentenanalyse die Existenz von vier Gruppen von mikrobiellenGemeinschaften. Spezifisch f\u00fcr die einzelnen Gruppen waren entweder thermophile odermesophile Prozesstemperaturen sowie \u0084upflow anaerobic sludge blanket\u0093-Reaktoren oderKl\u00e4rschlamm als Substrat. Weiterhin wurde die taxonomische und funktionelle Zusammensetzungder mikrobiellen Gemeinschaften durch die Raumbelastung, die Schlammverweilzeitsowie die Gesamtstickstoffmenge in den Biogasanlagen beeinflusst. Passend dazu wurden die Proteine 5,10-Methylentetrahydromethanopterinreduktase (Q8TXY4 Euryarchaeota)und Methyl Coenzyme M Reduktase (P07962, Methanosarcina barkeri str.Fusaro) als Marker f\u00fcr die Gesamtstickstoffkonzentration bzw. Raumbelastung in Biogasanlagenidentifiziert. Das Vorhandensein der Ordnung Thermotogales zeigte den Betriebder Biogasanlagen unter thermophilen Bedingungen an.Metaproteomuntersuchungen erlauben somit nicht nur die taxonomische und funktionelleBeschreibung der am Biogasprozess beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften, sondernerm\u00f6glichen auch die Identifikation von ge\u00e4nderten Prozessbedingungen oder Prozessst\u00f6rungen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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