Schlussbericht zum Vorhaben AMMOFIT - Neue Starterkonzentrate zur Biogaserzeugung aus Substraten mit hohen Stickstoff-Frachten, Teilvorhaben 2: Mikrobiom-Analysen (Johann-Heinrich von Thünen Institut)

Abstract

Die Hemmung von Ammoniak (NH3) stellt eine wesentliche Einschränkung der Methanproduktion bei der anaeroben Vergärung von organischem Material in Biogasreaktoren dar. Dieser Prozess ist auf kooperative metabolische Interaktionen zwischen verschiedenen Taxa auf Gemeinschaftsebene angewiesen. Trotzdem haben sich die meisten Untersuchungen darauf konzentriert, wie methanogene Archaeen auf NH3-Stress reagieren. In unserem Vorhaben untersuchten wir mit einer an einen hohen NH3-Gehalt angepassten und einer nicht angepassten methanogenen Mikroorganismengemeinschaft die Reaktionen auf NH3-Hemmung sowohl auf der Ebene der Gemeinschaft als auch auf der Ebene der einzelnen Taxa. Nur die präadaptierte Gemeinschaft setzte die Methanogenese unter hemmenden NH3-Konzentrationen fort. Während viele Phyla, die an der Hydrolyse komplexer organischer Stoffe, der primären und sekundären Fermentation und der Methanogenese beteiligt sind, in beiden Gemeinschaften vorkommen, waren nur die Taxa der präadaptierten Gemeinschaft robust. Funktionell wichtige Phyla bestanden größtenteils aus empfindlichen Taxa (≥ 50 %), doch alle Gruppen, einschließlich der methanogenen Archaeen, besaßen auch tolerante Individuen (10 - 50 %), was darauf hindeutet, dass die potenziellen Mechanismen für Toleranz unspezifisch und weit verbreitet sind. Eine auf einem Hidden-Markov-Modell basierende phylogenetische Analyse der methanogenen Archaeen bestätigte, dass die NH3-Toleranz nicht auf bestimmte taxonomische Gruppen beschränkt ist, nicht einmal auf Gattungsebene. Durch die Rekonstruktion kovariierender Wachstumsmuster mittels Netzwerkanalysen konnte die Methanogenese durch die voradaptierte Gemeinschaft am besten durch fortgesetzte metabolische Interaktionen zwischen toleranten Methanogenen und anderen toleranten Taxa erklärt werden. Unter nicht hemmenden Bedingungen traten jedoch wieder empfindliche Taxa auf und dominierten die voradaptierte Gemeinschaft, was darauf hindeutet, dass Mechanismen der NH3-Toleranz ohne Selektionsdruck nachteilig für die Fitness sein können. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieses Vorhabens, dass die Methanogenese unter NH3-Hemmung von einer breit angelegten Toleranz in der gesamten prokaryotischen Gemeinschaft abhängt. Die Mechanismen für die Toleranz scheinen weit verbreitet und unspezifisch zu sein, was für die Entwicklung robuster methanogener Biogasgemeinschaften von praktischer Bedeutung ist.