Das Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft verfügt seit dem Jahr 2010 über eine 'Kleintechnische Vergärungsversuchsanlage' (KTVA) zur Durchführung langfristiger, anaerober Vergärungsversuche im kontinuierlichen Vergärungsverfahren. Hauptbestandteil ist ein Edelstahlreaktor (Vol. = 1.100 l), welcher beheizbar, durchmischbar und kontinuierlich beschickbar ist. Zusätzlich verfügt die KTVA über einen Vorlage- bzw. Hydrolysebehälter und einen Nachgärbehälter. Derzeit befindet sich die KTVA im Probebetrieb und wird zeitnah für orientierende Versuche genutzt. Mit Hilfe kontinuierlicher Messungen der Zusammensetzung des produzierten Biogases können die Vergärungsprozesse überwacht und optimiert werden.
Ziel ist es, festzustellen, ob relativ persistente organische Verbindungen, welche als Restsubstanzen einer biologischen Abwasserreinigung in den Vorfluter gelangen, mit NO3 als einzigem H-Akzeptor unter anaeroben Bedingungen weiter mineralisiert werden koennen. Zweck: Elimination organischer Verbindungen mit gleichzeitiger Stickstoffentgasung.
Meeressedimente enthalten schätzungsweise größer als 10^29 mikrobielle Zellen, welche bis zu 2.500 Meter unter dem Meeresboden vorkommen. Mikrobielle Zellen katabolisieren unter diesen sehr stabilen und geologisch alten Bedingungen bis zu einer Million mal langsamer als Modellorganismen in nährstoffreichen Kulturen und wachsen in Zeiträumen von Jahrtausenden, anstelle von Stunden bis Tagen. Aufgrund der extrem niedrigen Aktivitätsraten, ist es eine Herausforderung die metabolische Aktivität von Mikroorganismen unterhalb des Meeresbodens zu untersuchen. Die Transkriptionsaktivität von diesen mikroben kann seit Kurzem metatranskriptomisch untersucht werden, z.B. durch den Einsatz von Hochdurchsatzsequenzierung von aktiv transkribierter Boten-RNA (mRNA), die aus Sedimentproben extrahiert wird. Tiefseetone zeigen ein Eindringen von Sauerstoff bis zum Grundgebirge, welches auf eine geringe Sedimentationsrate im ultra-oligotrophen Ozean zurückzuführen ist. Der Sauerstoffverbrauch wird durch langsam respirierende mikrobielle Gemeinschaften geprägt, deren Zellzahlen und Atmungsraten sehr niedrig gehalten werden durch die äußerst geringe Menge organischer Substanz, die aus dem darüber liegendem extrem oligotrophen Ozean abgelagert wird. Die zellulären Mechanismen dieser aeroben mikroben bleiben unbekannt. Im Jahr 2014 hat eine Expedition erfolgreich Sedimentkerne von sauerstoffangereichertem Tiefseeton genommen. Vorläufige metatranskriptomische Analysen dieser Proben zeigen, dass der metatranskriptomische Ansatz erfolgreich auf die aeroben mikrobiellen Gemeinschaften in diesen Tiefseetonen angewendet werden kann. Wir schlagen daher vor diese Methode mit einem hohen Maß an Replikation, in 300 Proben von vier Standorten, anzuwenden. Dieser Einsatz wird es uns ermöglichen, Hypothesen in Bezug auf zelluläre Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens, mit einer beispiellosen statistischen Unterstützung, zu testen.Wir warden den aeroben Stoffwechsel, welcher die langfristige Existenz von Organismen in Tiefseetonen unterstützt, bestimmen, Subsistenzstrategien identifizieren in aeroben und anaeroben Gemeinden unterhalb des Meeresbodens, und extrazelluläre Enzyme und ihr Potenzial für den organischen Substanzabbau charakterisieren. Die folgenden Fragen werden damit beantwortet: Wie das Leben im Untergrund über geologische Zeiträume unter aeroben Bedingungen überlebt? Was die allgegenwärtigen und einzigartigen Mechanismen sind, die langfristiges Überleben in Zellen unter aeroben und anaeroben Bedingungen fördert? Was die Auswirkungen von Sedimenttiefe und Verfügbarkeit von organischer Substanz auf die mikrobielle Produktion von extrazellulären Hydrolasen unter aeroben und anaeroben Bedingungen sind? Dies wird sowohl ein besseres Verständnis dafür liefern, wie mikrobielle Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens verteilt sind und was ihre Rolle in biogeochemischen Zyklen ist, als auch wie das Leben über geologische Zeiträume unter extremer Energiebegrenzung überlebt.
Auch in aeroben Böden finden Denitrifikationsprozesse statt, aller Voraussicht nach in heterogen verteilten anoxischen Mikrobereichen. Lokal anaerobe Bedingungen sind dabei entweder das Ergebnis einer limitierten Sauerstoffnachlieferung oder von besonders hohem Sauerstoffverbrauch bei der mikrobiellen Zersetzung von leicht abbaubarer organischer Substanz. Die Dynamik des Stickstoffumsatzes wird durch ein Zusammenspiel von mikrobieller Aktivität und abiotischen Bedingungen gesteuert, die eng mit der Bodenstruktur zusammenhängen. Denitrifikation ist ein Mehrskalenprozess, bei dem die biogeochemischen Prozess in einzelnen Poren stattfinden, während die relevante Skala für den Transport von Sauerstoff und organischer Substanz Millimeter bis Dezimeter ist. Schließlich werden für Klimasimulationen die aggregierten Produktflüsse für Gebiete mit einer Fläche von mindestens einigen Quadratkilometern benötigt. Diese enorme Spanne von mindestens drei Skalen über mehr als 9 Größenordnungen soll in diesem Projekt durch Modellierung und numerische Simulation mit einer Hierarchie von drei verschiedenen Modellen überbrückt werden. Ein dreidimensionales porenskaliges Modell wird zur Simulation einzelner Aggregate verwendet, ein ebenfalls dreidimensionales kontinuumskaliges Modell zur Simulation von Experimenten in Boden-Mesokosmen und ein drittes, eindimensionales Modell zum Testen von Upscaling-Konzepten, die später Eingang in Simulationen für ganze Landschaften finden sollen. Die Modelle werden mit Batchexperimenten parametrisiert und durch Untersuchung ihrer Fähigkeit zur Prognose der zeitlichen Dynamik der Denitrifikation und der Stöchiometrie der Produkte für Experimente mit unterschiedlichen Materialien (von künstlichen porösen Medien bis zu ungestörten Böden) und Randbedingungen validiert. Die Hierarchie von Modellen wird dann verwendet um verbesserte effektive Modelle der Denitrifikation auf der Macroskala zu entwickeln. Die betrifft insbesondere die Bildung, Ausdehnung und Auswirkung anaerober Mikrozonen.
Durch geeignete Kombination von anaeroben und aeroben Bedingungen, denen Belebtschlamm ausgesetzt wird, gelingt es, P weitgehend durch biologische Aufnahmen aus dem Abwasser zu entfernen. Die beeinflussenden Faktoren fuer die biologische P-Entfernung sowie die Kombination mit der chemischen Faellung wurden auf verschiedenen Klaeranlagen untersucht.
Das Denitrifikationspotenzial beschreibt die Fähigkeit des Bodens durch mikrobielle Umsetzungen und unter anaeroben Bedingungen einen Teil des Nitrats wieder in Luftstickstoff (z.T. Lachgas) umzusetzen. Voraussetzungen für den Nitratabbau sind die Präsenz von Nitrat, die Abwesenheit von Sauerstoff und die Anwesenheit von oxidierbarer organischer Materie. Das Denitrifikationspotenzial wird auf Grundlage der niedersachsenweiten Bodenkarte (BK50, Gehrt et al 2021) abgeleitet und gilt bis zu einer Tiefe von zwei Metern. Die Methodik ist im Geobericht 19 (Bug et al. 2020) dargestellt. Jedem Bodentyp ist in Abhängigkeit vom Grund- bzw. Stauwassereinfluss eine Denitrifikationsstufe mit einer mittleren, jährlichen Rate zugeordnet. Insgesamt gibt es fünf Denitrifikationsstufen, die durch mittlere Denitrifikationsraten von 5, 20, 40, 60 und 100 kg N/ha*a (in torfhaltigen Substraten bei hohem Grundwasserstand 150 kg N/ha*a) gekennzeichnet sind. Die niedrigsten Denitrifikationsraten weisen gering humose Standorte auf, bei denen ganzjährig eine Wassersättigung des Bodenkörpers ausgeschlossen wird. Mit Zunahme des Humusgehalts oder durch das Auftreten von temporärer Nässe bei Grund- oder Stauwassereinfluss steigt das Denitrifikationspotenzial der Böden. Die zweite Denitrifikationsstufe steht für eine mittlere Denitrifikationsrate von 20 kg N/ha*a. Grundsätzlich ist mit den höchsten Denitrifikationsraten zu rechnen, sobald Grundwasser in humus- oder schwefelhaltigen Bodenschichten steht. Bei der Denitrifikationsstufe 5 (>> 150 kg N/ha*a) kann die Denitrifikationsrate bis 3 000 kg N/ha*a betragen. Solche Raten sind vor allem in Niedermooren und humusreichen Böden zu finden, bei denen die Grundwasseroberfläche ganzjährig bei = 6 dm u. GOK im Torfkörper ansteht. Da bei der Denitrifikation organische Substanz in wassergesättigten Bodenschichten abgebaut wird, ist vor allem für mineralische Horizonte anzunehmen, dass die Denitrifikationsrate im Laufe der Jahrzehnte und Jahrhunderte abnimmt. Auch Grundwasserabsenkungen können die Denitrifikationsleistung in der Bodenzone eines Standortes deutlich herabsetzen (Wienhaus et al., 2008). Referenzen: BUG, J., HEUMANN, S., MÜLLER, U. & WALDECK, A. (2020): Auswertungsmethoden im Bodenschutz - Dokumentation zur Methodenbank des Niedersächsischen Bodeninformationssystems (NIBIS®). – GeoBerichte 19: 383 S. Hannover: LBEG GEHRT, E., BENNE, I., EVERTSBUSCH, S., KRÜGER, K. & LANGNER, S. (2021): Erläuterung zur BK 50 von Niedersachsen. – GeoBerichte 40: 282 S., 125 Abb., 100 Tab.; Hannover (LBEG). WIENHAUS, S.,HÖPER, H., EISELE, M.,MEESENBURG, H. & SCHÄFER,W. (2008): Nutzung bodenkundlich- hydrogeologischer Informationen zur Ausweisung von Zielgebieten für den Grundwasserschutz - Ergebnisse eines Modellprojektes (NOLIMP) zur Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie. – GeoBerichte 9: 56 S., 13 Abb., 5 Tab., Anh.; Hannover (LBEG).
Es sind eine Reihe von anaeroben Prozessen bekannt, die alle mehr oder weniger stark den Aspekt der Behandlung bzw. Entsorgung fester, pastoeser oder fluessiger Abfaelle in den Vordergrund stellen. Das Spektrum der Anlagengroesse reicht von Kleinanlagen fuer die Guelleverwertung bis zu grosstechnischen Anlagen. Allen Aufbauprinzipien gemeinsam ist die Tatsache, dass die Anlagengroesse nur schwierig an Rahmenbedingungen wie Groesse der zu entsorgenden Gebietskoerperschaft oder Ergiebigkeit der Substratquelle angepasst werden kann; up-scaling (oder auch down-scaling) erfordert immer Entwicklungstaetigkeit. Dadurch sind Anlagen entweder nicht voll ausnutzbar oder andere Anlagen muessen vorgehalten werden, um Ent- oder Versorgungssicherheit zu gewaehrleisten. Unter Umstaenden muessen lange Transportwege akzeptiert werden. Diese Probleme wirken sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes der Verfahren aus. Daher wird oft auf die Gewinnung von Biogas verzichtet, obwohl die Rahmenbedingungen gut waeren. Dies bedeutet, dass eine wichtige Quelle regenerativer Energie praktisch nicht genutzt wird. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines modularen Konzeptes fuer Anaerobreaktoren, das eine Anpassung der Anlagengroesse ohne besondere Entwicklungstaetigkeit erlaubt. Dazu bedarf es der Entwicklung kleiner Reaktoren, die einfach aufzubauen und preiswert herzustellen sind, die dennoch stabil arbeiten und keine aufwendige Regelungstechnik brauchen. Beabsichtigtes Einsatzfeld fuer die Reaktoren ist dabei nicht nur die Behandlung und Entsorgung von Abfaellen, die gleichwohl mit den entwickelten Komponenten moeglich sein sollte, sondern vor allem die Bereitstellung nachhaltiger Energiequellen. Fernziel der Arbeiten des Labors fuer Umwelttechnik der MFH in dieser Richtung ist die Kombination von Anaerobprozessen mit der Biomassegewinnung durch Algen, d.h. direkte Biogasgewinnung aus Solarenergie und CO2-Recycling.
In diesem Projekt wollen wir in einem Süßwasserhabitat die Koppelung der nitratabhängigen Methanoxidation (n-damo) mit dem Anammox Prozess nachweisen. Messungen der stabilen Isotope im Methan, Nitrat, Nitrit, Ammonium und DIC und molekularbiologische Methoden sollen helfen, diese Prozesse zu entschlüsseln. Zudem wollen wir klären, wie die Erkenntnis von einströmendem Grundwasser in das Habitat (Interaktion zwischen Grundwasser und Seewasser) zu erklären ist, dass die für die Prozesse (n-damo, Anammox, Methanogenese) benötigten stabilen Umwelt- bzw. anoxischen Redoxbedingungen vorliegen.
Die Verunreinigung unserer Wasserressourcen mit organischen Schadstoffen, wie etwa Öl-bürtigen Kohlenwasserstoffen, ist ein ernstzunehmendes Problem und hat vielerorts bereits zu einer chronischen Belastung des Grundwassers geführt. Der biologische Abbau ist der einzige natürliche Prozess, der im Untergrund zu einer Schadstoffreduktion führt. Als Steuergrößen gelten hier die Anwesenheit von Abbauern (Mikroorganismen) und die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und Nährstoffen. In den letzten Jahren wurde zudem die Bedeutung dynamischer Umweltbedingungen (z.B. Hydrologie) als wichtige Einflussgröße erkannt. Ein wichtiger Aspekt wurde jedoch bisher nicht in Betracht gezogen, nämlich die Rolle der Viren bzw. Phagen. Viren sind zahlenmäßig häufiger als Mikroorganismen und ebenso ubiquitär vorhanden. Mittels verschiedener Mechanismen können sie einen enormen Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaften ausüben. Einerseits verursachen sie Mortalität bei ihren Wirten. Andererseits können sie über horizontalen Gentransfer den Wirtsstoffwechsel sowohl zu dessen Vorteil als auch Nachteil modifizieren. In den vergangenen Jahren konnten verschiedene mikrobielle Phänomene der Aktivität von Viren zugeschrieben werden. Die klassische Ansicht, dass Viren ausschließlich Parasiten sind, ist nicht mehr zutreffend. Als Speicher und Überträger von genetischer Information ihrer Wirte nehmen sie direkten Einfluss auf biogeochemische Stoffkreisläufe sowie auf die Entstehung neuer Schadstoffabbauwege. Biogeochemische Prozesse in mikrobiell gesteuerten Ökosystemen wie dem Grundwasser und die dynamische Entstehung und Anpassung an neue Nischen als Folge von Veränderungen der Umweltbedingungen kann nur verstanden werden, wenn der Genpool in lytischen und lysogenen Viren entsprechend mit berücksichtigt wird. Das Projekt ViralDegrade stellt Paradigmen in Frage und möchte eine völlig neue Perspektive hinsichtlich der Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau eröffnen, welche zur Zeit noch als Black Box behandelt werden. ViralDegrade postuliert, dass Viren (i) durch horizontalen Gentransfer und den Einsatz von metabolischen Genen den Wirtsstoffwechsel modulieren (Arbeitshypothese 1) und (ii) für den temporären Zusammenbruch von dominanten Abbauerpopulationen und, damit verbunden, für den Wechsel zwischen funktionell redundanten Schlüsselorganismen verantwortlich sind (Arbeitshypothese 2). Sorgfältig geplante Labor- und Felduntersuchungen und vor allem der kombinierte Einsatz von (i) neu entwickelten kultivierungsunabhängigen Methoden, wie etwa dem Viral-Tagging, und (ii) ausgewählten schadstoffabbauenden aeroben und anaeroben Bakterienstämmen, garantieren neue Erkenntnisse zur Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau sowie ähnlichen mikrobiell gesteuerten Prozessen. Ein generisches Verständnis der Vireneinflüsse wird zudem zukünftig neue Optionen für die biologische Sanierung eröffnen.
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