M. Lebuhn, B. Munk Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen Mikro- und Molekularbiologie - AQU 1c

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1 Bayerische Landesanst alt für Landwirt schaft M. Lebuhn, B. Munk Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen Mikro- und Molekularbiologie - AQU 1c DMK Fachveranst alt ung Welche gem einsam e Zukunft haben Biogas und Mais? Leipheim,

2 Hint ergrund - Biogas - akt uelles m ikrobiologisches Prozessm odell - St ellgrößen für die Prozessopt im ierung - Konzept m ikrobieller Gilden Molekularbiologische Frühwarnsyst em e - qualit at iv: Populat ionsanalysen Bioindikat oren Biom arker - quant it at iv: ökophysiologische Param et er MQ cdna/ DNA Zusam m enfassung, Ausblick

3 99 % 89 % 88 % 87 % 77 % Silierung / Silagelagerung 6 % Mikrobiologischer Prozess 60 % 54 % " #$ " % Gronauer et al., 009! 3

4 Organ. Raum belast ung / Verweilzeit Temperatur Nährelem ent e; NH 3 ; O ; SO 4 - ; H S;... Mikrobiol. / -biochem. Vorbehandlung Starterkulturen / I nokula Biogasprozess, in Grenzen selbst regulierend! " Spurenelemente Optimierung Effizienz Minimierung Restmethanpot enzial Analyt ik Diagnose + Em pfehlung Prozessst euerung 4

5 # $ %! ca Mikroorganismen - das sind 10 Milliarden - pro Milliliter (ml)! LfL, 004 5

6 &'( Sekundär-Fermentation (Acetogenese) mit syntropher Fettsäure-Oxidation Intermediat-Oxidation Biogas Hydrolyse / Acidogenese Primär-Fermentation Methanogenese!! " # $ "% &! $ " % & $ ' ( ) *+, -!. + /. 0 ( "" 4! 5 % & "% % 0 %! "5 0 0 % ' ( ) % 6! 5 $ & 7 8 9: % 9+ *"; ' 6

7 ) * &'( Gleiches Aussehen - aber verschiedene Leistungen... http: / / wps.prenhall.com / esm_madigan_brockbio_10/ Analyse funkt ioneller Einheit en, Gilden ; Ziel ist DNA (das Gen) und mrna von Schlüsselenzymen 7

8 ) * &+ ( DNA: Analyse der gesam ten betrachteten Gilde mrna (cdna): Analyse der aktiven Frakt ion cdna/ DNA: Analyse des Anteils der aktiven an der gesam ten Fraktion,--./

9 &+ (1 / 00"#". /,0& (/,$. ',. ',. &11+ %!" % ( " I n Evaluierung: fhs hyda I n Entw icklung: coos Glykosylhydrolase- Methanomicrobium mobile = < 7 >! # $ 5?!"! #" ()*+,? Fam ilien )! ' & Feruloylesterasen ' ' "? 1 6 S rrna/! rdna ' ( rrs) -!! 1". - ' -!! Methyl- Coenzym M- Reduktase ( m cra/ m rta) -. - " "#" $% & '$ ( )'*% + % ( % (, %!"! )506, -" )", " 07 ) 3", Methanosaeta sp. *4 < -! % & 0 5 9

10 Spurenelem ent Co N i N a Se Mo Fe Zn Cu Konzentration in der Frischmasse [ mg kg -1 ] Mindestgehalt : 6 ' ; A A Zielbereich 7 87 :07 8< 7 7 8'+ 0'87 + < 0 " 7 87 ' < " A 5 " A "! A! "! A! "!?: Forschungsbedarf, noch nicht abgesichert Lebuhn, 011 Elem entgehalt [ m g kg - 1 FM] Co Ni Na Se Mn Mo W Maissilage ( 1 ) 7 87 '+ 9 A! # & A $ 0 A& A! # % A $ Maissilage ( ) = 7 87 > > + 8? 9 A! 5 & A A% B A & Grassilage ( typ.) A B 0 A #!! A $ 0! %! A & A! % $ 10

11 Hint ergrund - Biogas - akt uelles m ikrobiologisches Prozessm odell - St ellgrößen für die Prozessopt im ierung - Konzept m ikrobieller Gilden Molekularbiologische Frühwarnsyst em e - qualit at iv: Populat ionsanalysen Bioindikat oren Biom arker - quant it at iv: ökophysiologische Param et er MQ cdna/ DNA Zusam m enfassung, Ausblick 11

@ - Hom ogenisierung, Nukleinsäre- Ext rakt ion

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12 @ - Hom ogenisierung, Nukleinsäre- Ext rakt ion DNA m RNA DNA cdna akt ive + inakt ive akt ive Populationsanalysen C Bioindikatoren Gildenspezifische PCR Quant ifizierung qpcr RT- qpcr Klonierung, Sequenzierung Konstruktion von spezifischen Biom arkern Bioinform at ische Auswert ung 1

13 1 5 & ( 4# 8 9 )-,7 %" :;*- ;*- Bioindikat oren "!,!71, "!,!71, "!,!,,!71, "!,#,!! "!,##,!71, "!,###,!71, ",#,!71, ",###,!71, Met hanosarcina sp. Spiegel, 009 3$ 3$ 3$ 3$ 3$ 3$ 3$ 3$ " 8,!71 13

14 1 5 &( 7 -<-:;*-;* $ 3$ 3$ 3$ gestresst versäuert ( Ni- Mangel) Bioindikat oren "!,!71, "!,#,!! "!,#,!71 ",#,!71, ",###,!71, " 7!!,666 14

15 1 5 A 5 strikt acetoklastisch Met hanosaet a spp. Methanosaeta spp. Met hanosaet a spp. saurer ph, Acetat- Konzentration, SCFA cdna: bestim m te Methanobacteriaceae (DNA: bestim m te Methanom icrobiales) Met hanosarcina spp. freie Am m oniak- Konzentration bestim m te Methanobacteriaceae Met hanosarcina spp. Verdünnungsrate strikt hydrogenotroph m eist e hydrogenot rophe Met hanogene Met hanosarcina spp. 15

16 Hint ergrund - Biogas - akt uelles m ikrobiologisches Prozessm odell - St ellgrößen für die Prozessopt im ierung - Konzept m ikrobieller Gilden Molekularbiologische Frühwarnsyst em e - qualit at iv: Populat ionsanalysen Bioindikat oren Biom arker - quant it at iv: ökophysiologische Param et er MQ cdna/ DNA Zusam m enfassung, Ausblick 16

17 3 45 A &3 5 ( B &B ( >@ F G 7 H > >( MQ fällt >> >@ A E? B D I 03 SA aktuell!=>>?&@)#,'a?b>& 1C=@D?@D SA Standard SA aktuell MQ steigt MQ = SA aktuell * SA Standard - @E@ >@@ >(@ >&@ >B@ >E@ ".*H G H > G " > Munk et al., 010, 01 17

18 B &B (8) C 5 -) C 5 1E+ 0 Mais m ono 3 8 C 8,0 1E+ 01 7,0 MQ, cdna/ DNA [ -] 1E+ 00 1E-01 1E-0 1E-03 1E-04 cdna/ DNA MQ FOS/ TAC + 1 : D D 4 6,0 5,0 4,0 3,0,0 FOS/ TAC [ -] 1E-05 1,0 1E-06 0, Versuchstag [ d] Munk et al., 01,

19 ".*HG H > G " > 4 7 G H > 3 0 8) C 5 -) C 5 8B >B >& @ >(@@@ >@@@@ E@@@ B@@@ &@@@ $ G 9< E 3 H 09 H 0' keine Fütterung 3 -E 5 F 7.9 #?.? 3 -E 5 F +.+ # :.; 3 -E 5 F +.= # :.< " 78 " 9 :,3$:3$ ;!,3$:3$ 3 -E 5 F +.9 # :.; keine Fütterung!!!!65! #!6<! Beginn Fütterung 3 -E 5 F 7.? #?.= 47! 5! <! >'@> >'@@ >(@@ >@@@ E@@ B@@ &@@ J :;*-<;* G H > 19 5

20 Hint ergrund - Biogas - akt uelles m ikrobiologisches Prozessm odell - St ellgrößen für die Prozessopt im ierung - Konzept m ikrobieller Gilden Molekularbiologische Frühwarnsyst em e - qualit at iv: Populat ionsanalysen Bioindikat oren Biom arker - quant it at iv: ökophysiologische Param et er MQ cdna/ DNA Zusam m enfassung, Ausblick 0

21 I 4 5 Ökonom ie und Ökologie erfordern opt im ale Prozesseffizienz C Prozesszust and beurt eilen, St örungen früh erkennen recht zeit iges/ gezielt es Vorsorgen/ Vorgehen Mikrobielle Akt ivit ät reagiert vor prozesschem ischen Param et ern C Frühwarnsyst em e - Bioindikat oren - Met abolischer Quot ient - cdna/ DNA Verhältnis? Anwendungseinschränkungen, Ursachen? Kenntnis der Populationen und ihrer spezifischen Leistungen bei unt erschiedlichem Anlagenbet rieb/ Prozesszust and 1

23 ... ) 4J5 4% 3 A 0 J0! Biogas # -5 A 0!! " # $ "% &! $ " % & $ ' ( ) *+, -!. + /. 0 ( "" 4! 5 % & "% % 0 %! "5 0 0 % ' ( ) % 6! 5 $ & 7 8 9: % 9+ *"; ' 3

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