Prozesskontrolle und Optimierung der Biogasproduktion mittels Metaproteomanalyse
Zusammenfassung
Der Abbau von biologischen Abfällen zu Methan in Biogasanlagen durch eine komplexemikrobielle Gemeinschaft stellt eine der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen dar. Voraussetzungfür die Erhöhung der Methanproduktion ist ein detailliertes Verständnis überdie Funktionsweise der beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften. Daher sollte im Rahmendieser Promotionsarbeit die taxonomische und funktionelle Zusammensetzung der mikrobiellenGemeinschaften in möglichst vielen industriellen Biogasanlagen basierend auf denProteinen (Metaproteom) charakterisiert werden. Zusätzlich sollte der Einfluss einzelnerProzessparameter auf die taxonomische und funktionelle Zusammensetzung der mikrobiellenGemeinschaften untersucht und mögliche Markerproteine für die entsprechendenBetriebsweisen identifiziert werden.Zu diesem Zweck wurde ein zuverlässiger und hoch auflösender Metaproteomworkflowetabliert und weiterentwickelt. Dieser umfasste die Extraktion der Proteine mit Phenol ineiner Kugelmühle, das Einlaufen der Proteine in eine SDS-PAGE, den tryptische Verdauund die Messung mittels Elite Hybrid Ion Trap-Orbitrap MS/MS. Für die anschließendeProteinidentifikation 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 änderten sich wenigund waren funktionell sehr ähnlich. Schlüsseltaxa 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 großen funktionellen Ähnlichkeitder mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Biogasanlagen zeigte die Cluster- und Hauptkomponentenanalyse die Existenz von vier Gruppen von mikrobiellenGemeinschaften. Spezifisch für die einzelnen Gruppen waren entweder thermophile odermesophile Prozesstemperaturen sowie upflow anaerobic sludge blanket-Reaktoren oderKlärschlamm 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 für 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, sondernermöglichen auch die Identifikation von geänderten Prozessbedingungen oder Prozessstörungen.