Verringerung der Lachgas-Emission bei der Verwertung von Gärrückständen durch Zugabe Lachgas-reduzierender Bakterien

Abstract

Die Düngung landwirtschaftlich genutzter Flächen führt zu erhöhten Emissionen des Treibhausgases Distickstoffmonoxid (N2O; Lachgas). Verantwortlich dafür sind verschiedene Stoffwechselprozesse der mikrobiellen Gemeinschaft des Ackerbodens. In diesem Projekt wurde untersucht, inwieweit durch eine innovative Gärrestaufbereitung spätere N2O-Emissionen aus einem mit Gärresten gedüngten Ackerboden verringert bzw. vollständig unterdrückt werden können. Dazu sollten lachgasreduzierende Bakterien u.a. aus Gärrückständen isoliert und mikrobiologisch und physiologisch charakterisiert werden. Geeignete Isolate sollten Gärrückständen zugesetzt werden (Bioaugmentationsversuche), um deren Wachstums- und Überlebensfähigkeit sowie deren Aktivität hinsichtlich der Reduktion von N2O zu N2 in einer Düngesituation im Labormaßstab zu testen (Mikrokosmosexperimente). Es handelte sich um Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der universitären Grundlagenforschung. Vorrangiges Ziel war der Machbarkeitsnachweis (Proof of Concept) des Forschungsansatzes. Ein noch zu entwickelndes Verfahren für den Einsatz in der Agrarindustrie sollte marktrelevant und kostengünstig sein und dementsprechend eine kurze Behandlungszeit der Gärrückstände vorsehen. Mit dem erfolgreichen Abschluss des Projekts wird ein wesentlicher Beitrag zur nachhaltigen und klimafreundlichen Verwertung von Gärresten geleistet und die gesellschaftliche Akzeptanz für die Nutzung von Gärresten als Düngemittel erhöht. Projektergebnisse: Das Arbeitspaket 1 sah die Isolierung und Charakterisierung von lachgasreduzierenden Bakterien aus Gärrückständen vor, wobei eine reine Lachgasatmosphäre als selektierendes Substrat verwendet wurde, wodurch hohe Zelldichten ermöglicht werden. Es wurden über 50 Isolate erhalten, die nachweislich mit Lachgas wachsen bzw. Lachgas-Reduktase-Gene (nos-Gene) besitzen und die phylogenetisch klassifiziert wurden. Von neun dieser Isolate wurden spezifische Lachgas-Reduktionsraten in Gegenwart und Abwesenheit von Sauerstoff mittels Mikrorespirometrie bestimmt. Es handelte sich dabei um Vertreter der Gattungen Pseudomonas, Comamonas, Thiopseudomonas und Alcaligenes, deren hohe spezifische Lachgas-Reduktionsraten in unterschiedlichem Ausmaß durch die Anwesenheit von Sauerstoff beeinflusst wurden. Von zwei Organismen wurde die vollständige Genomsequenz bestimmt. Im Arbeitspaket 2 wurden mittels der Isolate Bioaugmentationen in Mikrokosmosexperimenten durchgeführt. Dazu wurden die Zellen unterschiedlich behandelten Gärresten im Labormaßstab zugesetzt und ihre Überlebensfähigkeit und Lachgasreduktionsaktivität in Kurz- und Langzeitexperimenten erfolgreich nachgewiesen. Schließlich wurden die Bakterien in Anwesenheit von Gärrückständen Ackerbodenproben zugesetzt, um reale Düngesituationen zu simulieren. Auch hier wurde die Funktionsfähigkeit der Organismen durch Mikrorespirometrie nachgewiesen. Die Ergebnisse erbringen den Machbarkeitsnachweis der Projektidee und bereiten zukünftige Freilandexperimente vor, die weitere Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Gärresten und Bodenproben geben und die wirtschaftliche Verwertbarkeit der Ergebnisse ermöglichen werden.