Was faulig anfängt, wird sauber genützt

5. März 2013, 20:02
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In Biogas-Anlagen wird aus Gülle, Dreck und Mist Methan gewonnen - Welche Rolle Mikroben spielen und wie die Nahrungskette im Inneren der Reaktoren funktioniert, wird in Innsbruck erforscht

Man sieht sie immer häufiger. Unscheinbare Betonbauten, oft rund und in der Nähe von Bauernhöfen stehend: Biogas-Reaktoren. Das Innere solcher Anlagen ist keine appetitliche Angelegenheit. In einer Grube modert eine gräuliche Masse vor sich hin. Es ist Klärschlamm, Gülle oder Kuhmist, manchmal gemischt mit altem Speiseöl oder Biomüll. Fauliger Gestank steigt auf.

Diese Dämpfe haben es in sich. Sie bestehen zu mehr als der Hälfte aus Methan, chemisch CH4, einem sauber verbrennenden Gas, welches sich hervorragend für den Betrieb von Blockheizkraftwerken eignet. "Man benutzt Abfall, um daraus Energie zu produzieren. Eine echte Win-win-Situation", betont die Biologin Ingrid Franke-Whittle im Gespräch mit dem Standard.

Das Grundprinzip der Biogaserzeugung mag einfach klingen, doch im Detail ist noch vieles ungeklärt. Wie verläuft zum Beispiel das Zusammenwirken der am Verfaulen beteiligten Mikroorganismen, und wie lassen sich die komplexen, im Dreck gedeihenden Ökosysteme in ihrer Funktion optimieren? Diesen Fragen gehen Ingrid Franke-Whittle und ihre Kollegen am Institut für Mikrobiologie der Universität Innsbruck nach.

Ihr Spezialgebiet ist die anaerobe Fermentation, die Zersetzung von organischem Material unter Sauerstoffausschluss - ein in der Natur weitverbreiteter Vorgang. Er findet unter anderem im Bodenschlick von Seen und Sümpfen statt. Das dabei freigesetzte Methan kann sich manchmal spontan entzünden, was zur Entstehung der sagenumwobenen "Irrlichter" über Mooren führt.

Franke-Whittles Forschungsarbeiten gelten allerdings handfesten technischen Perspektiven. Die Produktivität von anaerob funktionierenden Biogas-Reaktoren soll gesteigert und ihr Betrieb vereinfacht werden. " Und das hängt alles von den mikrobiellen Lebensgemeinschaften ab", erklärt die Expertin. Die Konstruktion der Reaktoranlage ist dagegen nur von zweitrangiger Bedeutung.

Zersetzung und Verwertung

Die anaerobe Fermentation verläuft in mehreren Stufen. Zunächst zerlegen verschiedene Bakterienspezies mittels Enzymen die großen Moleküle von Fetten, Polysacchariden und Proteinen in ihre einzelnen Bestandteile: Fettsäuren, Zucker und Aminosäuren. Danach erfolgt die Zersetzung dieser Stoffe in noch kleinere Moleküle wie zum Beispiel Alkohole. Solche werden ebenfalls wieder von spezialisierten Mikroorganismen verwertet, es entstehen Acetat (Essigsäure), Wasserstoff und Kohlendioxid.

Im letzten Schritt wird Acetat von Archaeen, urtümlichen Mikroorganismen wie die der Gattungen Methanosaeta und Methanosarcina, zu Methan und CO2 umgewandelt. Einige Mikroorganismen sind zudem in der Lage, aus Wasserstoff und Kohlendioxid CH4 zu bilden. Das im Verlauf der Fermentation entstandene Gasgemisch kann anschließend technisch aufgetrennt werden, um reines Methan zu erhalten.

Bei jedem der oben beschriebenen Prozesse wird chemische Energie freigesetzt. Die Mikroben nutzen diese für ihren Stoffwechsel - sie ernähren sich praktisch so. Und was die einen übriglassen, dient den nächsten als Speise. Die gesamte Biogas-Erzeugung basiert somit auf einer Art Nahrungskette, einem fein aufeinander abgestimmten Wechselspiel zwischen einer Vielzahl von Spezies. Stabil sind diese Systeme dabei nicht unbedingt. Die Gleichgewichte können sich verschieben, manche Bakterienarten die Oberhand gewinnen und andere verdrängen. Das hängt auch davon ab, welche Sorte Abfall in dem Reaktor verarbeitet wird, und hat oft messbare Folgen für die Methanproduktion.

Um Veränderungen im ökologischen Gefüge der anaeroben Fermentation detailliert untersuchen zu können, haben die Innsbrucker Experten den sogenannten Anaerochip entwickelt, eine kleine Glasplatte mit darauf fixierten, synthetischen DNA-Proben von insgesamt 98 verschiedenen methanproduzierenden Archaeen-Stämmen. "Diese spezifischen Sequenzen sind 18 bis 25 Basen lang", sagt Ingrid Franke-Whittle. Sie dienen als Anheftungsstellen für entsprechende Kopien im Einzeller-Erbgut.

Leuchtende DNA-Spuren

Die Wissenschafter extrahieren die gesamte DNA einer anaeroben Mikroben-Lebensgemeinschaft, vermehren diese künstlich im PCR-Verfahren und versehen sie dabei mit fluoreszierenden Markern. Anschließend wird das Gemisch auf den Chip aufgetragen. Die DNA der einzelnen Spezies hybridisiert mit ihrem synthetischen Gegenstück und bleibt dort hängen. Nun zeigt die Fluoreszenz genau auf, welche Archaeen in welchen Mengen im Ökosystem vorhanden sind. Die Position der fixierten Proben ist schließlich bekannt, und an der Stärke des Leuchtsignals lässt sich die relative Häufigkeit einzelner Stämme ablesen.

Franke-Whittle und ihre Kollegen haben den Anaerochip bereits ausgiebig in der Praxis getestet. So konnten die Forscher unter anderem das Verhältnis zwischen Methanosarcina und Methanosaeta in neun unterschiedlichen Biogas-Reaktoren in Südtirol und Vorarlberg untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass Methanosaeta bei niedrigen Acetat-Konzentrationen dominiert.

Diese Gattung ist zwar sehr effizient bei der Umsetzung von Essigsäure, kann aber keine anderen Stoffe verwerten, erklärt Franke-Whittle. In chemisch vielfältigeren Mischungen ist deshalb wahrscheinlich Methanosarcina im Vorteil. Von Methanosarcina dominierte Gemeinschaften zeigen sich zudem oft stabiler.

Zurzeit arbeitet das Innsbrucker Team mit Unterstützung des Wissenschaftsfonds FWF an der Entwicklung von "Bacchip", einem Testsystem für den Nachweis zahlreicher weiterer Mikrobenstämme, die nicht zu den Archaeen gehören - ein weiterer Schritt hin zum Verstehen der anaeroben Bakteriengemeinschaften als Ganzes. (Kurt de Swaaf, DER STANDARD, 06.03.2013)

  • Bild nicht mehr verfügbar

    Hinten raus, in die Biogas-Anlage (rechts im Bild) rein. Was bei der Vergärung vor sich geht, wollen Mikrobiologen genauer wissen.

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