In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur mikrobiellen Aktivität von Pseudomonas putida DSM12735 durchgeführt. Als Messgröße diente die mikrobielle Wärmeleistung, basierend auf dem Stoffumsatz durch die Mikroorganismen. Ziel war es, die Vor- und Nachteile der verwendeten Kalorimeter herauszuarbeiten. Dafür wurden klassische Batch-Wachstumskurven aufgenommen. Ein weiteres Ziel bestand darin, eine Methode zur schnellen kalorimetrischen Detektion der mikrobiellen Aktivität insbesondere für die stationäre Phase zu entwickeln. In dieser Phase findet kein signifikanter Stoffumsatz statt. Durch das gezielte Auslösen einer zweiten Wachstumsphase und damit einem Stoffumsatz wird die mikrobielle Aktivität kalorimetrisch wieder messbar. Eingesetzt wurden folgende Kalorimeter: der Thermal Activity Monitor 2277 (TAM) mit den Kalorimetern Micro Reaction System 2250-4 ml und 2250-20 ml (kurz: TAM-4ml, TAM-20ml), das IC-Chip-Kalorimeter FCC22 (Institut für Physikalische Chemie, TU Freiberg) und das Kalorimeter Micro-DSC II (MDSC).

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung des Wachstumsverhaltens von Mikroorganismen auf Alkanen am Beispiel des Bodenbakteriums Rhodococcus opacus 1CP. Unter Einsatz kalorimetrischer Methoden konnte das Wachstumsverhalten von 1CP auf Glucose und Alkanen mit sehr guter Reproduzierbarkeit aufgezeichnet werden. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften wurden Änderungen der Wachstumskinetik registriert, welche auf die Aggregation der Zellkultur zurückgeführt werden konnten. Die kalorimetrischen Befunde zum Aggregationsverhalten wurden mittels Gaschromatographie und Partikelgrößenbestimmung bestätigt. Durch Biotensidquantifizierung in kalorimetrisch aufgezeichneten Kultivierungen von 1CP auf Alkanen konnte eine wachstumsassoziierte Biotensidbildung nachgewiesen werden. Elementaranalytische Untersuchungen ergaben eine Variation der Biomassezusammensetzung von 1CP in Abhängigkeit der C-Quelle. Unter Berücksichtigung von Biomasse- und Biotensidbildung wurden Summenreaktionen für die Wachstumsprozesse formuliert und durch Verifikation mit kalorimetrisch ermittelten Enthalpien des Substratumsatzes bestätigt.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung des Wachstumsverhaltens von Mikroorganismen auf Alkanen am Beispiel des Bodenbakteriums Rhodococcus opacus 1CP. Unter Einsatz kalorimetrischer Methoden konnte das Wachstumsverhalten von 1CP auf Glucose und Alkanen mit sehr guter Reproduzierbarkeit aufgezeichnet werden. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften wurden Änderungen der Wachstumskinetik registriert, welche auf die Aggregation der Zellkultur zurückgeführt werden konnten. Die kalorimetrischen Befunde zum Aggregationsverhalten wurden mittels Gaschromatographie und Partikelgrößenbestimmung bestätigt. Durch Biotensidquantifizierung in kalorimetrisch aufgezeichneten Kultivierungen von 1CP auf Alkanen konnte eine wachstumsassoziierte Biotensidbildung nachgewiesen werden. Elementaranalytische Untersuchungen ergaben eine Variation der Biomassezusammensetzung von 1CP in Abhängigkeit der C-Quelle. Unter Berücksichtigung von Biomasse- und Biotensidbildung wurden Summenreaktionen für die Wachstumsprozesse formuliert und durch Verifikation mit kalorimetrisch ermittelten Enthalpien des Substratumsatzes bestätigt.

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur mikrobiellen Aktivität von Pseudomonas putida DSM12735 durchgeführt. Als Messgröße diente die mikrobielle Wärmeleistung, basierend auf dem Stoffumsatz durch die Mikroorganismen. Ziel war es, die Vor- und Nachteile der verwendeten Kalorimeter herauszuarbeiten. Dafür wurden klassische Batch-Wachstumskurven aufgenommen. Ein weiteres Ziel bestand darin, eine Methode zur schnellen kalorimetrischen Detektion der mikrobiellen Aktivität insbesondere für die stationäre Phase zu entwickeln. In dieser Phase findet kein signifikanter Stoffumsatz statt. Durch das gezielte Auslösen einer zweiten Wachstumsphase und damit einem Stoffumsatz wird die mikrobielle Aktivität kalorimetrisch wieder messbar. Eingesetzt wurden folgende Kalorimeter: der Thermal Activity Monitor 2277 (TAM) mit den Kalorimetern Micro Reaction System 2250-4 ml und 2250-20 ml (kurz: TAM-4ml, TAM-20ml), das IC-Chip-Kalorimeter FCC22 (Institut für Physikalische Chemie, TU Freiberg) und das Kalorimeter Micro-DSC II (MDSC).

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene zweiphasige Vergärungssysteme hinsichtlich der mikrobiellen Biomasse und Abbauaktivität charakterisiert, mit dem Ziel, eine mikrobiologische Prozessüberwachung zu ermöglichen. Bei der analytischen Begleitung des Biogasprozesses stellte sich heraus, dass viele Biomasse- und Aktivitätsparameter anlagen- bzw. substratspezifische Werte aufweisen und Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen über diese mikrobiologischen Kenngrößen detektiert und verifiziert werden können. Im Normalbetrieb der Vergärung von Maissilage konnte in der Hydrolysestufe eine starke Vermehrung der mikrobiellen Gesamtzellzahl sowie eine Zunahme des Archaea:Bacteria-Verhältnisses verzeichnet werden. Die Aktivitätsprofile von Hydrolasen (unspezifische Esterase, Polysaccharasen und Proteasen) erlaubten eine Visualisierung des Hydrolysefortschritts. Hierbei erwiesen sich die Esterase-, Cellulase- und Xylanaseaktivität als besonders aussagekräftig. Ähnlich ermöglichte dies die Analyse der Atmungsaktivität, die die mikrobielle Abbauaktivität des Eingangs- bzw. das Restgaspotential des Ausgangsmaterials der Hydrolysestufe wiedergibt. Die phylogenetischen Analysen der ersten Prozessstufe zeigten eine klare Dominanz von cellulolytischen Bakterien der Gattung Clostridium (Ø 35%). Der Anteil der hydrogenotrophen Methanogenen lag in den untersuchten Systemen etwa 50% über dem der Acetoklastischen, was darauf schließen lässt, dass der hydrogenotrophe Methanbildungsweg favorisiert wird. Es wurde aber auch eine erhöhte Abundanz der nicht-methanogenen Crenarchaeota festgestellt, deren Rolle im Biogasprozess noch ungeklärt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde weiterhin die Vergärbarkeit von HCH-belasteter Grassilage bzw. ein potentieller mikrobieller β-HCH-Abbau untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Mikroorganismen durch die Schadstoffbelastung des Substrates nicht inhibiert war. Darüber hinaus konnte ein Abbau des β-HCH nach der Hydrolyse der Grassilage nachgewiesen werden. Durch das Auftreten von Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen konnten die Auswirkungen auf die untersuchten mikrobiologischen Kenngrößen näher untersucht und u. a. auch statistisch abgesichert verifiziert werden. Korrelationsanalysen verdeutlichten die mikrobiellen bzw. biochemischen Zusammenhänge im System. Besonders interessant sind dabei die signifikanten Korrelationen zwischen der Gesamtzellzahl, der Esteraseaktivität und dem Chemischen Sauerstoffbedarf, die für jede Verfahrensstufe nachgewiesen werden konnten. Diese Analysen zeigten erstmalig, dass die unspezifische Esteraseaktivität als allgemeiner mikrobieller Aktivitätsparameter in verschiedenen Prozessstufen von Biogasanlagen als Indikator zur Prozesseffizienz und -stabilität einsetzbar ist. Daher wurde die Methodik als Schnelltest weiterentwickelt, der auch vor Ort Anwendung finden kann. Dies ermöglicht eine direkte Analyse des Biogassubstrates, der Effizienz der Substratumsetzung sowie die Detektion von Störungen und eine entsprechende Steuerung und Regelung des Prozesses.

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Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene zweiphasige Vergärungssysteme hinsichtlich der mikrobiellen Biomasse und Abbauaktivität charakterisiert, mit dem Ziel, eine mikrobiologische Prozessüberwachung zu ermöglichen. Bei der analytischen Begleitung des Biogasprozesses stellte sich heraus, dass viele Biomasse- und Aktivitätsparameter anlagen- bzw. substratspezifische Werte aufweisen und Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen über diese mikrobiologischen Kenngrößen detektiert und verifiziert werden können. Im Normalbetrieb der Vergärung von Maissilage konnte in der Hydrolysestufe eine starke Vermehrung der mikrobiellen Gesamtzellzahl sowie eine Zunahme des Archaea:Bacteria-Verhältnisses verzeichnet werden. Die Aktivitätsprofile von Hydrolasen (unspezifische Esterase, Polysaccharasen und Proteasen) erlaubten eine Visualisierung des Hydrolysefortschritts. Hierbei erwiesen sich die Esterase-, Cellulase- und Xylanaseaktivität als besonders aussagekräftig. Ähnlich ermöglichte dies die Analyse der Atmungsaktivität, die die mikrobielle Abbauaktivität des Eingangs- bzw. das Restgaspotential des Ausgangsmaterials der Hydrolysestufe wiedergibt. Die phylogenetischen Analysen der ersten Prozessstufe zeigten eine klare Dominanz von cellulolytischen Bakterien der Gattung Clostridium (Ø 35%). Der Anteil der hydrogenotrophen Methanogenen lag in den untersuchten Systemen etwa 50% über dem der Acetoklastischen, was darauf schließen lässt, dass der hydrogenotrophe Methanbildungsweg favorisiert wird. Es wurde aber auch eine erhöhte Abundanz der nicht-methanogenen Crenarchaeota festgestellt, deren Rolle im Biogasprozess noch ungeklärt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde weiterhin die Vergärbarkeit von HCH-belasteter Grassilage bzw. ein potentieller mikrobieller β-HCH-Abbau untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Mikroorganismen durch die Schadstoffbelastung des Substrates nicht inhibiert war. Darüber hinaus konnte ein Abbau des β-HCH nach der Hydrolyse der Grassilage nachgewiesen werden. Durch das Auftreten von Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen konnten die Auswirkungen auf die untersuchten mikrobiologischen Kenngrößen näher untersucht und u. a. auch statistisch abgesichert verifiziert werden. Korrelationsanalysen verdeutlichten die mikrobiellen bzw. biochemischen Zusammenhänge im System. Besonders interessant sind dabei die signifikanten Korrelationen zwischen der Gesamtzellzahl, der Esteraseaktivität und dem Chemischen Sauerstoffbedarf, die für jede Verfahrensstufe nachgewiesen werden konnten. Diese Analysen zeigten erstmalig, dass die unspezifische Esteraseaktivität als allgemeiner mikrobieller Aktivitätsparameter in verschiedenen Prozessstufen von Biogasanlagen als Indikator zur Prozesseffizienz und -stabilität einsetzbar ist. Daher wurde die Methodik als Schnelltest weiterentwickelt, der auch vor Ort Anwendung finden kann. Dies ermöglicht eine direkte Analyse des Biogassubstrates, der Effizienz der Substratumsetzung sowie die Detektion von Störungen und eine entsprechende Steuerung und Regelung des Prozesses.

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