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Titelaufnahme

Titel
Rumen fluid as amendment to anaerobic digesters and source of lignocellulose degrading microbes
VerfasserKozjek, Katja
Betreuer / BetreuerinPodmirseg, Sabine Marie
Erschienen2016
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Masterarb., 2016
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Datum der AbgabeDezember 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Anaerobe Vergärung / Biogasreaktor / Lignocellulosehaltiger Biomasse / Rumenflüssigkeit / Rindergülle / Biogasproduktion / Rumenhabitat / Anaerobe Pilze
Schlagwörter (EN)Anaerobic digestion / biogas reactor / lignocellulosic biomass / rumen fluid / cattle manure / biogas production / rumen ecosystem / anaerobic fungi
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-5314 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
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Rumen fluid as amendment to anaerobic digesters and source of lignocellulose degrading microbes [2.26 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die anaerobe Vergärung ist ein komplexer biologischer Prozess, bei dem unterschiedliche organische Abfälle abgebaut und für die Biogasproduktion verwendet werden können. Verschiedene Mikroorganismen, die an diesem Prozess beteiligt sind (v.a. Bakterien und Archaeen), spielen eine wichtige Rolle im Abbau von verschiedenen Substraten, wie z.B. Maisstroh. Aufgrund der komplexen Struktur lignocellulosehaltiger Biomasse (LZB), sind Vorbehandlungen notwendig. Demgegenüber stellt das natürliche Rumenhabitat bereits ein perfekt angepasstes, effektives System für den Abbau von LZB dar und enthält verschiedenste Mikroorganismen (Bakterien, Archaeen, anaerobe Pilze und Protisten), Enzyme und Nährstoffe. Bisher wurde Rumenflüssigkeit eher als Abfall betrachtet, könnte aber als Zusatzstoff, idealerweise zusammen mit Rindergülle in Biogasreaktoren mit hohem LZB-Gehalt verwendet werden.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die positive Wirkung des Zusatzes von Rumenflüssigkeit auf die Biogasproduktion und den Abbau von LZB zu untersuchen und festzustellen, ob dieser Effekt durch die Etablierung einer aus dem Rumen stammenden Mikrobiota, oder durch die bereits in der Rumenflüssigkeit vorhanden Enzyme hervorgerufen wird.

Hierfür wurden Biogasreaktoren im Batch-Betrieb mit Maisstroh (16 g Maisstroh L-1) versetzt und über 31 Tage bei 37 Grad Celsius nach VDI 4630 Norm einem Biogaspotentialtest unterzogen. Bei den untersuchten Behandlungen handelte es sich um Rindergülle (M), Rumenflüssigkeit (R), und zwei Mischungen aus Rindergülle und Rumenflüssigkeit im Verhältnis 80%/20% (R20) und 60%/40% (R40). Die Abundanz und Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft, wurde im zeitlichen Verlauf mit molekularen Methoden (real-time PCR, DGGE) überwacht.

Physikochemische Parameter und die Biogaspotenzial Analyse zeigten, dass die Zugabe von Rumenflüssigkeit zu erhöhter Biogasproduktion (+18.3% in R20 und +30.0% in R40, im Vergleich zu M) und gesteigertem LZB-Abbau führt. Die Anzahl der Bakterien und Methanogenen nahm vor allem in den ersten zwei Wochen, besonders in den beiden Mischungen (R20 und R40) zu. Anaerobe Pilze erreichten ihre höchste Abundanz in Biogasreaktoren mit hohem Zusatz von Rumenflüssigkeit (R, R40), aber nur für einen begrenzten Zeitraum. Die Anwesenheit von Protisten hatte keinen direkten Einfluss auf die Biogasproduktion oder den Abbau von LZB, aber einen negativer Effekt auf andere mikrobielle Gemeinschaften. Die Ergebnisse der DGGE zeigten, dass die Diversität innerhalb der bakteriellen Gemeinschaft deutlich höher als in der Methanogenen-Population war. Außerdem war deutlich zu sehen, dass die Rumenflüssigkeit und Rindergülle zwei verschiedene mikrobielle Gemeinschaften vorwiesen. Ein paar spezifische Banden in der Versuchslinie R (cDNA) konnten ebenso in R20 und R40 detektiert werden und bestätigten, dass diese augmentierten Mikroorganismen aktiv im Abbauprozess involviert waren, wenn auch nur für kurze Zeit.

Vier anaerobe Pilzkulturen konnten aus frischen Rumen isoliert und identifiziert werden. Aufgrund des filamentösen Rhizoids, polyzentrischer Thalli, ovaler Sporangien und einer LSU-Sequenzanalyse konnten alle Kulturen der Gattung Orpinomyces sp. zugeordnet werden.

Zusammenfassend kann die Zugabe von Rumenflüssigkeit als vielversprechende Strategie für eine verbesserte Biogasproduktion und erhöhten Abbau von LZB angesehen werden. Die Etablierung der aus den Rumen stammenden Mikrobiota war erfolgreich, aber kurzfristig, was vor allem auf den Batch-Ansatz zurückgeführt werden kann. Ein profunderes Verständnis über die Aktivität und das Wachstum der beteiligten Mikroorganismen in diesem System ist erforderlich, idealerweise sollten zukünftige Experimente im kontinuierlichen Modus durchgeführt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Anaerobic digestion (AD) is a complex biological process, where diverse organic wastes can be degraded and utilized for biogas production. Different microorganisms involved in the process of AD play a crucial role in substrate breakdown. Lignocellulosic biomass (LCB), high in energy, could be used as substrate for biogas production. However, due to its intricate structure, different pre-treatments or co-digestion methods are necessary. On the other hand, the rumen ecosystem is a complex habitat with a diverse microbiota, composed of bacteria, archaea, anaerobic fungi and protists that reflects highly developed natural cellulose-degrading system. Moreover, it is a rich source of nutrients and enzymes. So far rumen content, is rather treated as a waste product, although it could be used as an addition in cattle manure-fed biogas reactors.

To study this, LCB-rich, batch-operated biogas reactors were amended with cattle manure (M), rumen fluid (R), as well as mixtures of the latter two, R20 (80% manure/20% rumen liquid) and R40 (60% manure/40% rumen liquid). Biogas potential was monitored over 31 days at 37C according to VDI 4630 standards. The objective of the current work was to investigate if a positive effect on degradation of LCB and biogas production because of rumen liquid addition is due to the establishment of a rumen-borne microbiota or due to introduced enzymes from the rumen liquid. The abundance and dynamics of microbial consortia over time were monitored with molecular tools, i.e. quantitative real-time PCR and denaturing gradient gel electrophoresis.

Physico-chemical and biogas potential analyses revealed that rumen liquid addition led to enhanced biogas production (+18.3% in R20 and +30.0% in R40, compared to M) and lignocellulose degradation. Abundance of bacteria and methanogens increased especially during the first two weeks in both mixtures (R20 and R40), whereas abundance of anaerobic fungi was the highest in treatments containing high rumen contents (R and R40), but only for a limited period. Presence of rumen protists was not essential for biogas production or degradation of lignocellulosic material, however it negatively affected other microbial guilds. Results of DGGE revealed that diversity within bacterial community was much higher in comparison to methanogenic community. Moreover, rumen liquid and cattle manure harboured two different communities. Some specific bands of rumen microbes (cDNA) were detected in both mixtures, indicating that these microorganisms were actively involved in the process of AD and could persist in the system, however just temporarily. Anaerobic fungal strains, isolated from fresh rumen, possessed polycentric thalli, filamentous rhizoids, and oval sporangia and were assigned to the genus Orpinomyces sp.

Rumen liquid addition could be a promising strategy for enhanced biogas production and degradation of LCB. The establishment of rumen-borne microbiota was successful, however not persistent, mostly due to the batch system approach. In the near future, a greater understanding of activity and proliferation of microbial groups, involved in AD within continuous system is envisage.