Analyse des Anna Karenina Ökologieprinzips mit Bezug auf die am Biogasprozess beteiligten Mikrobiota: Auswirkungen auf die Prozesssteuerung

Stipendiatin/Stipendiat: Bogdan Rusu

Die anaerobe Vergärung (AD) ist eine etablierte Technologie, die eine nachhaltige Lösung für viele Umweltprobleme bietet und für die Behandlung organischer Abfälle (Abwasserbehandlung, Siedlungsabfälle, Grünabfälle und Lebensmittelabfälle) weit verbreitet ist [1]. AD ist ein biologischer Prozess, der in der Lage ist, organische Stoffe in Biogas umzuwandeln, das aus Methan, Kohlendioxid und Spuren anderer Verunreinigungen besteht und eine Option zur Erzeugung erneuerbarer Energie aus billigen Ressourcen darstellt [2].

Obwohl AD uns eine Lösung für Umweltprobleme und eine nachhaltige Verwertung von Abfällen/Restbiomasse bietet, gibt es aufgrund der schwankenden Qualität des Substrats mehrere Faktoren, die seine Stabilität beeinflussen können: Temperatur, organische Beladungsrate (OLR), hydraulische Verweildauer (HRT), Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft und Anhäufung von Hemmstoffen [1]. Einer der häufigsten Inhibitoren in Biogasreaktoren ist Ammoniumstickstoff, der durch den Abbau von Proteinen, Aminosäuren, Harnstoff oder Nukleinsäuren angesammelt werden kann, was zu einer Verringerung der Biogasausbeute und letztlich zu einem Prozessausfall führt [1].

Um dies zu vermeiden, könnte durch die Überprüfung der Gültigkeit des Anna-Karenina-Prinzips (AKP) ein Werkzeug für die Vorhersage erhalten werden, das eine Lösung zur Vermeidung eines Prozessausfalls in einer großtechnischen Biogasanlage auf der Grundlage der Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft bietet. Basierend auf dem Roman "Anna Karenina" von Leo Tolstoi hat die AKP als grundlegende Aussage seinen berühmten Eröffnungssatz "Alle glücklichen Familien sind gleich; jede unglückliche Familie ist auf ihre eigene Weise unglücklich", wonach bestimmte Stressoren eher stochastische als deterministische Auswirkungen auf Gemeinschaftskompositionen haben. Dieses Prinzip wurde bereits erfolgreich an Darm-Mikrobiota von Säugetieren getestet [3].

References

  1. Capson-Tojo, G., et al., Unraveling the literature chaos around free ammonia inhibition in anaerobic digestion. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020. 117: p. 109487.
  2. 2.Robles, G., et al., Biogas Production: Microbiological Aspects, in Biogas: Fundamentals, Process, and Operation, M. Tabatabaei and H. Ghanavati, Editors. 2018, Springer International Publishing: Cham. p. 163-198.
  3. Zaneveld, J.R., R. McMinds, and R. Vega Thurber, Stress and stability: applying the Anna Karenina principle to animal microbiomes. Nat Microbiol, 2017. 2: p. 17121.
 

Förderzeitraum:
18.08.2019 - 17.08.2020

Institut:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ Department Umweltmikrobiologie

Betreuer:
Dr. Marcell Nikolausz

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Publikationen:

  • Isolated Microorganisms for Bioconversion of Biodiesel-Derived Glycerol Into 1, 3-Propanediol
    2
  • Influence of the extraction solvent on phenolic content, antioxidant, antimicrobial and antimutagenic activities of brewers’ spent grain
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  • Characterization of grape and apple peel wastes’ bioactive compounds and their increased bioavailability after exposure to thermal process
    6