Einsatz von neu isolierten Mikroorganismen bei der Optimierung der Bioethanol- und Biogas-Produktion

Abstract

Die Arbeit befasst sich zum einen mit der Optimierung der Bioethanol-Herstellung und zum anderen mit der Verbesserung der Biogas-Produktion. Dabei kommen neu isolierte Mikroorganismen bzw. deren Enzyme zum Einsatz. Die Bioethanol-Herstellung aus lignocellulosehaltiger Biomasse stellt eine erfolgversprechende Alternative zu fossilen Energieträgern dar. Die Hefe Saitozyma flava OO2, die aus der höheren Termite Odontotermes obesus stammt, konnte als geeigneter Cellulaseproduzent identifiziert werden. Es konnte eine Cellulase Cel1 isoliert und charakterisiert werden, die der Glycosid-Hydrolasefamilie 5 (GHF 5) angehört. Ein 3D-Homologiemodell auf Grundlage der Struktur der ß-1,4-Endoglucanase aus Ganoderma lucidum 5D8Z wurde angefertigt. Das aktive Zentrum liegt dabei hoch konserviert vor. Es konnte eine Aktivität in einem breiten Temperatur-Bereich zwischen < 30 und > 80 °C mit einem Temperatur-Optimum bei 60 °C ermittelt werden. Die Cellulase war in einem pH-Bereich zwischen < 2 und > 6 stabil. In einem pH-Bereich zwischen < 3,5 und > 5,5 zeigte die Endocellulase eine Aktivität mit einem Optimum zwischen 4 und 4,5. Bei einer Konzentration von 25,5 % Cellobiose zeigte die Cellulase Cel1 eine 50%ige Aktivität. Aufgrund der ermittelten Eigenschaften und ihrer Aktivität eignet sich die Cellulase Cel1 für den Einsatz in der Bioethanolproduktion der zweiten Generation. Das Power-to-Gas Verfahren stellt eine weitere Alternative dar, um die Menschheit von fossilen Energieträgern unabhängig zu machen. Im Rahmen dessen konnten insgesamt 18 methanogene Archaea aus der thermophilen Biogasanlage Butschen in Viersen (Nordrhein-Westfalen) und neun Isolate aus zwei verschiedenen niederen Termiten erhalten werden. Die Identifikation erfolgte jeweils über ARDRA und SAPD-PCR sowie über eine Sequenzierung des 16S rRNA-Gens. Aus der niederen Termite Incisitermes marginipennis konnten sechs methanogene Isolate erhalten werden. Fünf der Isolate konnten als Methanoculleus thermophilus identifiziert werden und eines als Methanosarcina barkeri bzw. Methanosarcina horonobensis. Aus einer weiteren niederen Termite, Mastotermes darwiniensis, konnten drei methanogene Isolate erhalten werden. Die Archaea konnten Methanobacterium beijingense zugeordnet werden. Es konnten somit erstmals Arten aus niederen Termiten isoliert werden, die sich von den bereits in Kultur erhaltenen Stämmen unterscheiden. Eine aus Mastotermes darwiniensis erstellte archaeelle Klonbibliothek zeigte, dass ein großes Potential an neuartigen, noch nicht isolierten Archaea besteht. Aus der thermophilen Biogasanlage Butschen in Viersen konnten 18 Isolate gewonnen werden, von denen 12 als Methanoculleus thermophilus und sechs der Muster als Methanothermobacter wolfeii identifiziert werden konnten. Das Isolat Methanothermobacter wolfeii SIV6 konnte über die SAPD-PCR in die Gattung Methanothermobacter eingeordnet werden. Die Methanproduktion diverser Archaea wurde in Batch-Kulturen und teilweise in einem Methanreaktor überprüft. Darüber hinaus kommt das Isolat Methanothermobacter wolfeii SIV6 in einem Hochleistungs-Methanreaktor zum Einsatz.

The work in hand is on the one hand about the optimisation of bioethanol production and on the other hand about the improvement of biogas production. In the course of this, newly isolated microorganisms respectively their enzymes are to be deployed. Bioethanol production from lignocellulosic biomass is a promising alternative to fossil energy sources. Saitozyma flava OO2, a yeast isolated from the higher termite Odontotermes obesus, was identified as a suitable cellulase producing strain. Cellulase Cel1, belonging to glycoside hydrolase family 5 (GHF 5), was isolated and characterized. A 3D homology modell was computed, based on the structure 5D8Z of ß-1,4-endoglucanase from the fungus Ganoderma lucidum. The active site was highly conserved. Activity in a broad temperature range between < 30 and > 80 °C was observed with an optimum at 60 °C. The cellulase was stable in a pH range from < 2 to > 6. In a range of pH < 3.5 and > 5.5 the endocellulase showed activity with an optimum between pH 4 and 4.5. Furthermore, cellulase Cel1 exhibited 50 % activity when cellobiose was present in a concentration of 25.5 %. In consequence of these investigated properties and activity, that the cellulase showed, Cel1 is suitable for 2nd generation bioethanol production. Power-to-gas concept is another alternative to provide mankind with a higher degree of independency from fossil fuels. Within this project it was possible to obtain 18 methanogenic archaea out of the thermophilic biogas plant Butschen in Viersen (North Rhine-Westphalia) and 9 isolates from two different lower termites. Identification was performed via ARDRA and SAPD-PCR as well as via 16S rRNA gene sequencing. From lower termite Incisitermes marginipennis six methanogenic isolates were obtained. Five isolates were identified as Methanoculleus thermophilus and one was identified as Methanosarcina barkeri or Methanosarcina horonobensis, respectively. From another lower termite, Mastotermes darwiniensis, three methanogenic isolates were obtained. Isolates were all assigned to Methanobacterium beijingense. To our knowledge, this is the first time, that the enrichment of methanogenic archaea from lower termites belonging to genera other than Methanobrevibacter is described. An archaeal clone library, generated from Mastotermes darwiniensis, showed great potential for isolation of new archaea from this lower termite. Alltogether 18 isolates were obtained from the thermophilic biogas plant Butschen, Viersen. Twelve were assigned to Methanoculleus thermophilus and six were identified as Methanothermobacter wolfeii. Furthermore, isolate Methanothermobacter wolfeii SIV6 was classified to the genus Methanothermobacter via SAPD-PCR. Methane production of diverse archaea was investigated in Batch culture and to some extent in a methane reactor. Moreover, the isolate Methanothermobacter wolfeii SIV6 is employed in a high performance methane reactor.