Einblicke in mikrobielle Gemeinschaften in anaeroben Vergärern

Anaerobe Vergärung ist ein Prozess, der genutzt wird, um starkes Abwasser zu behandeln, besonders in der Industrie. Diese Methode zersetzt Abfall ohne Sauerstoff und produziert Biogas, das als Energie genutzt werden kann. Auch wenn dieser Prozess gut funktioniert, läuft manchmal nicht alles nach Plan, und die Behandlungen können fehlschlagen. Die Gründe für diese Ausfälle sind manchmal unklar. Mögliche Ursachen sind schädliche Substanzen im Abwasser, zu viel organisches Material, fehlende Nährstoffe oder plötzliche Veränderungen in der Art des Abfalls.

Mikroben, also winzige lebende Dinge, die man mit blossem Auge nicht sieht, spielen eine grosse Rolle im Prozess der anaeroben Vergärung. Lange Zeit hatten wir begrenzte Informationen darüber, wie diese Mikroben interagieren und den Vergärungsprozess beeinflussen. Mit Fortschritten in den Sequenzierungsmethoden können wir jetzt mehr über diese mikrobiellen Gemeinschaften lernen und wie sie mit dem Gesamtbetrieb der Vergärungsanlagen zusammenhängen.

Viele Studien haben untersucht, wie sich diese mikrobiellen Gemeinschaften während der Vergärung von organischem Abfall verändern. Ein Teil dieser Forschung wurde in kleineren Laborumgebungen durchgeführt, während andere grössere, vollwertige Systeme untersucht haben. Obwohl wir wertvolle Erkenntnisse gewonnen haben, gibt es immer noch viele Unsicherheiten und Widersprüche in früheren Ergebnissen. Zum Beispiel fanden einige Forscher heraus, dass eine Veränderung der Betriebsparameter die mikrobielle Gemeinschaft nicht signifikant beeinflusste, während andere über ständige Veränderungen der Gemeinschaft im Laufe der Zeit berichteten.

Nur wenige Studien haben untersucht, wie Gruppen von Mikroben in einem Fermenter zusammenarbeiten. Diese Gruppen, die als Module bekannt sind, können ein besseres Verständnis dafür vermitteln, wie Organismen interagieren und während der Abwasserbehandlung funktionieren. Einige Studien haben bereits Module in anderen Umgebungen identifiziert. Beispielsweise fanden einige Forscher Gruppen von Mikroben im Boden, die an spezifischen Prozessen wie Atmung und Fermentation beteiligt waren. Andere Studien identifizierten Gruppen von Mikroben in Vergärungsanlagen, die mit dem Abbau von Antibiotika in Zusammenhang standen.

In unserer Forschung haben wir einzigartige Module innerhalb von Fermentern identifiziert, die relativ unabhängig arbeiten und die mit verschiedenen Betriebsparametern verknüpft sind. Durch das Verständnis dieser Korrelationen können wir die Beziehungen in anaeroben Vergärungsanlagen besser erfassen. Allerdings ist es schwierig, bedeutungsvolle Beziehungen in mikrobiellen Gemeinschaften zu finden. Probleme wie ungleichmässige Sequenzierungsdaten und das Vorhandensein seltener Organismen können zu falschen Schlussfolgerungen führen.

Computermethoden werden zunehmend eingesetzt, um diese Beziehungen zu analysieren. Jüngste Studien haben verschiedene Techniken zum Erzeugen von Korrelationsnetzwerken in mikrobiellen Gemeinschaften verglichen. Eine Methode, bekannt als Lokale Ähnlichkeitsanalyse (LSA), zeigte die besten Ergebnisse zur Identifizierung von Korrelationen über die Zeit. Diese Methode kann sowohl lokale als auch zeitverzögerte Beziehungen aufdecken. Das Verständnis dieser Beziehungen kann unser Wissen über die Interaktionen zwischen verschiedenen Mikroben und ihre Rollen im Vergärungsprozess verbessern.

#Methodik und Datensammlung

#Betriebsdaten der Mühle

Unsere Forschung konzentrierte sich auf drei Zellstoff- und Papierfabriken, die unterschiedliche Arten von anaeroben Behandlungssystemen haben. Mühle A kombiniert zwei Arten von Zellstoffmühlen, während die Mühlen B und C sich auf eine bestimmte Art namens BCTMP konzentrieren. Jede Mühle behandelt Abwasser mit unterschiedlichen Reaktoren, die einzigartige Eigenschaften und Betriebsparameter haben.

In Mühle A gibt es zwei Reaktoren, die mit einer hydraulischen Verweildauer (HRT) von 8 bis 12 Stunden arbeiten. Sie erhalten Abwasser aus drei verschiedenen Strömen, die unterschiedliche Durchflussraten und Zusammensetzungen haben. Mühle B betreibt drei anaerobe Hybridfermenter mit einer längeren HRT von 2 bis 3 Tagen, die mit einem Gemisch aus BCTMP-Abwasser gespeist werden. Mühle C hat eine anaerobe Lagune mit einer HRT von 12 bis 14 Tagen, die ebenfalls BCTMP-Abwasser nutzt.

Wir haben über einen Zeitraum von etwa 1,5 Jahren tägliche Daten aus diesen Reaktoren gesammelt. Diese Daten umfassten viele verschiedene Parameter wie die chemische Sauerstoffnachfrage (COD) Effizienz, das Verhältnis von flüchtigen Fettsäuren (VFA) zur Alkalität und die Konzentrationen verschiedener Verbindungen im Abwasser und Biogas.

#Probenahme und DNA-Extraktion

Um die mikrobiellen Gemeinschaften zu untersuchen, sammelten wir etwa zweimal im Monat Proben von anaerober Biomasse aus den Reaktoren. Diese Proben wurden in verschiedenen Tiefen in jedem Reaktor entnommen, um einen repräsentativen Querschnitt der mikrobielle Bevölkerung sicherzustellen. Nach der Sammlung wurden die Proben entweder eingefroren oder gekühlt während des Transports in unser Labor zur Analyse.

Sobald die Proben ankamen, extrahierten wir die Gesamtgemeinschafts-DNA mit einem speziellen Kit. Die Qualität und Quantität der extrahierten DNA wurde vor der weiteren Analyse bewertet.

#Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft

Die extrahierte DNA wurde dann zur Sequenzierung mit fortschrittlichen Technologien geschickt. Wir zielten speziell auf bestimmte Regionen der DNA ab, um die verschiedenen Arten von Mikroben in den Proben zu identifizieren. Die Rohsequenzdaten wurden dann verarbeitet, um einen umfassenden Überblick über die mikrobielle Gemeinschaft zu erhalten.

Um Verzerrungen durch unterschiedliche Sequenzierungstiefen zu minimieren, standardisierten wir die Datensätze auf eine gleiche Tiefe vor der Analyse. Dann klassifizierten wir die verschiedenen Mikroben, die in den Proben gefunden wurden, basierend auf ihren DNA-Sequenzen. Diese Klassifizierung ermöglichte es uns, ein detailliertes Verständnis der mikrobiellen Gemeinschaft in jedem Fermenter zu entwickeln.

#Korrelationsanalyse und Modulidentifikation

Um Beziehungen zwischen den mikrobiellen Gemeinschaften und den Betriebsparametern zu identifizieren, verwendeten wir eine spezifische Software, die für Korrelationsberechnungen konzipiert ist. Diese Software half, herauszufinden, welche Mikroben miteinander und mit den verschiedenen Betriebsbedingungen der Fermenter assoziiert waren.

Wir konzentrierten uns darauf, grosse, unabhängige Module innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft zu identifizieren. Diese Module bestanden aus Organismen, die zusammen interagieren und funktionieren, was den anaeroben Behandlungsprozess unterstützt. Die identifizierten Module zeigten starke Korrelationen mit den Betriebsparametern und hoben ihre Bedeutung im Vergärungsprozess hervor.

#Ergebnisse und Diskussion

#Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft

Die anfänglichen Analysen der mikrobiellen Gemeinschaften zeigten unterschiedliche Muster in den drei Mühlen. In Mühle A waren die mikrobiellen Gemeinschaften über die Zeit relativ stabil, was darauf hindeutet, dass sich diese Fermenter gut an das behandelte Abwasser angepasst hatten. Im Gegensatz dazu zeigte Mühle B eine grössere Variabilität in ihrer mikrobiellen Gemeinschaft aufgrund ihres kürzlichen Betriebsstarts. Mühle C zeigte ebenfalls Variationen, war aber nicht so extrem wie Mühle B.

Die am häufigsten vorkommenden Organismen in allen Mühlen waren acetoklastische Methanogene, die für die Methanproduktion im anaeroben Vergärungsprozess unerlässlich sind. Diese Organismen machten über die Hälfte der Gesamtanzahl der Archaeen in den Fermentern aus. Andere bemerkenswerte Gruppen waren hydrogenotrophische und methylotrophische Methanogene, die ebenfalls wichtige Rollen in der Biogasproduktion spielen.

Neben diesen Methanogenen waren in allen Mühlen verschiedene Bakterien vorhanden. Zum Beispiel gehörten viele der häufigsten Bakterien zum Phylum Bacteroidetes, die häufig am Abbau komplexer organischer Materialien im Abwasser beteiligt sind. Andere Bakterien, wie solche aus der Familie Anaerolineaceae, wurden ebenfalls als wichtige Mitwirkende am anaeroben Vergärungsprozess identifiziert.

#Identifikation funktioneller Module

Unsere Analysen zeigten zwei bis drei distincte biologische Module in jeder Mühle. Jedes Modul bestand aus Organismen, die verschiedene Stadien der anaeroben Vergärung abdeckten, einschliesslich Hydrolyse, Fermentation, Acetogenese und Methanogenese. Die Anwesenheit dieser miteinander verbundenen Module deutet darauf hin, dass die mikrobiellen Gemeinschaften eng zusammenarbeiten, um das Abwasser effizient zu behandeln.

Die Module wiesen signifikante Korrelationen mit Betriebsparametern auf, wie pH-Wert und Konzentrationen schädlicher Verbindungen wie Sulfid. Zum Beispiel war ein Modul positiv korreliert mit einer besseren COD-Entfernungseffizienz und niedrigeren Werten von flüchtigen Fettsäuren. Das deutet darauf hin, dass bestimmte Gruppen von Mikroben unter stabilen Bedingungen gedeihen, während andere möglicherweise widerstandsfähiger während Zeiten von Umweltdruck durch höhere Werte hemmender Substanzen sind.

#Reaktion auf Betriebsänderungen

Die Studie untersuchte auch, wie die mikrobiellen Gemeinschaften auf Änderungen der Betriebsparameter über die Zeit reagierten. Wir generierten verzögerte Versionen verschiedener Betriebsbedingungen, um ihren Einfluss auf die mikrobielle Häufigkeit zu beobachten.

Im Allgemeinen fanden wir heraus, dass die Reaktionszeit zwischen Änderungen der Betriebsbedingungen und Änderungen der mikrobiellen Häufigkeit typischerweise zwischen zwei und vier Tagen lag. Diese Verzögerung ist wichtig für das Verständnis, wie sich die mikrobielle Gemeinschaft an Modifikationen im Behandlungssystem anpasst und kann helfen, die Leistung zu optimieren.

#Störungen und Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft

Während der Studie identifizierten wir Phasen von Störungen im Fermenter, insbesondere während jährlicher Abschaltungen oder organischer Überlastung. Während dieser Phasen verschoben sich die mikrobiellen Gemeinschaften signifikant als Reaktion auf Umweltstress.

In allen drei Mühlen nahm ein spezifischer Organismus, Methanothrix_319, während der Störungszeiten an Häufigkeit zu. Er dominierte die Archaeenpopulation in jeder Mühle, was auf eine Widerstandsfähigkeit gegenüber ungünstigen Bedingungen hinweist. Die Fähigkeit dieses Organismus, unter stressigen Bedingungen zu gedeihen, hebt sein potenzielles Nutzen zur Minderung von Prozessstörungen in anaeroben Fermentern hervor.

Die Analyse dieser Störereignisse liefert wertvolle Einblicke, wie unterschiedliche Mikroorganismen auf Herausforderungen im anaeroben Vergärungsprozess reagieren. Zu erkennen, welche Organismen während dieser Zeiten gedeihen, kann Strategien zur Verbesserung der Stabilität und Leistung von Fermentern informieren.

#Fazit

Die Ergebnisse dieser Forschung beleuchten die komplexen Interaktionen innerhalb mikrobieller Gemeinschaften in anaeroben Fermentern in drei Zellstoff- und Papiermühlen. Das Verständnis dieser Beziehungen und die Identifizierung distincte Module von Organismen können unser Wissen über anaerobe Vergärungsprozesse verbessern.

Durch das Studium, wie diese mikrobiellen Gemeinschaften auf Betriebsparameter und Umweltstress reagieren, können wir bessere Strategien zur Optimierung der Biogasproduktion und Abwasserbehandlung entwickeln. Dieses Wissen ist nicht nur für die Zellstoff- und Papierindustrie wertvoll, sondern auch für andere Sektoren, die auf anaerobe Vergärung zur Abfallbewirtschaftung angewiesen sind.

Insgesamt können die gewonnenen Erkenntnisse aus dieser Studie zu Verbesserungen im Design und Betrieb anaerober Behandlungssysteme führen, die potenziell eine breite Palette von industriellen und kommunalen Anwendungen zugutekommen. Die Identifizierung wichtiger Organismen und ihrer Rollen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft kann auch neue Wege für Bioaugmentation und andere Interventionen eröffnen, die die Effizienz der anaeroben Vergärungsprozesse verbessern.