Aktivitätsanalyse per Barcode Dynamiken mikrobieller Gemeinschaften in Biogasprozessen
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- Maria Amsel
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1 Aktivitätsanalyse per Barcode Dynamiken mikrobieller Gemeinschaften in Biogasprozessen Dr. Christin Koch Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ Department Umweltmikrobiologie Einleitung Black-Box Biogasanlage Abbildungen: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR),
2 Einleitung Mikrobielle Prozesscharakterisierung und -überwachung? Abbildungen: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR), Erfassung mikrobieller Aktivität und Dynamiken Molekularbiologische Methoden Wer ist da? Wer ist aktiv? Aufwand und Kosten eingeschränkte Eignung für Prozessüberwachung Durchflusszytometrie - Messung auf Einzelzellebene Erfassung mikrobieller Veränderungen Schnell und preiswert hohe Beprobungsdichte möglich Können mikrobielle Dynamiken Prozessstörungen widerspiegeln? Durchflusszytometrie für Prozessüberwachung?
3 Durchflusszytometrie Optischer Filter Hüllstrom Beamsplitter Zelle Laser Photomultiplier Erfasste Parameter: Vorwärtsstreulicht (Forward Scatter Signal, ) Seitwärtsstreulicht (Sideward Scatter Signal, SSC) Fluoreszenz Durchflusszytometrie Anzahl Anzahl Counts Counts FS Log FL 4 Log FL 4 Log FS Log 0,5 μm UV anregbare blaue Fluoreszenz-Beads
4 Durchflusszytometrie FL 4 Log FL 4 Log? FS Log FS Log x% HaeIII Veränderung RsaI Molekularbiologische Ergebnisse (trflp) Zytometrische Datenauswertung - CyBar Cytometric Barcoding CyBar Markierung von Subcommunities = Gates Zellzahlveränderung per Gate 10 3 FL 4 Log Gatetemplate Durchführung Zytometrische Software, R, Makros Koch et al. (2013) Nature Protoc. 8: FS Log
5 Anwendung Biogasreaktor Versuchsaufbau Getreideschlempe 38 C Beschickung: 5 kg ots m - ³ d -1 Verweilzeit: 25 Tage Ferrosorp H 2 S- Entfernung Spurenelemente Monitoring über 9 Monate: Stabilität und Störphasen Aussetzung Ferrosorp -Zugabe Substratüberladungen Anwendung Biogasreaktor Verlauf der zytometrischen Pattern über 9 Monate
6 Koch et al. (2013) Environ. Sci. Technol. 47: Anwendung Biogasreaktor Zeit Normale Substratzugabe Hydrolyse Doppelte Substratzugabe Anstieg Zellzahl Acidogenese Acetogenese Normale Substratzugabe Vierfache Substratzugabe G8 G11 Indexgates Anstieg Zellzahl Methanogenese Koch et al. (2013) Environ. Sci. Technol. 47: MIN MAX
7 Anwendung Biogasreaktor G9 G1 G2 gas Koch et al. (2013) Environ. Sci. Technol. 47: CH 4 G17 G20 G12 G18 NH 4 -N G3 load foam G5 G10 H 2 S capacity FOS/TAC nba iva nva G8 pa iba G13 G11 G4 G14 G15 aa G6 G7 G16 G19 FS CO 2 ha G9 G1 G2 gas CH 4 G17 G20 G12 G18 NH 4 -N G3 load G5 foam G10 H 2 S capacity FOS/TAC nba iva nva G8 pa iba G13 G11 G4 G14 G15 aa G6 G7 G16 G19 FS CO 2 ha Highest positive correlation neutral Highest negative correlation Ausblick Onlinemessung und kontinuierliche Prozesskontrolle Modellentwicklung auf Basis zytometrischer Daten Eignung für andere mikrobielle Systeme Zeit Stabiler Prozess Veränderung Instabiler Prozess! Stabiler Prozess Prozessüberwachung Durchflusszytometrie Handlungsempfehlung
8 Zusammenfassung Mikrobielle Durchflusszytometrie: Kultivierungsunabhängige Methode zur Erfassung von Abundanz- und Aktivitätsveränderungen in komplexen mikrobiellen Gemeinschaften Monitoring Biogasreaktor Zytometrische Patternveränderungen spiegeln Prozessveränderungen zuverlässig wider Höhere Sensitivität als DNA Analyse Korrelationsanalyse zeigt biotische, abiotische und biotisch-abiotische Wechselwirkungen Hohes Anwendungspotential der mikrobiellen Durchflusszytometrie Prozessüberwachung und kontrolle Natürliche und biotechnologische Systeme Mehr Informationen und Kontakt Koch, C., Brumme, B., Müller, S. Mikrobielle Gemeinschaften im Visier der Durchflusszytometrie 2013, BIOspektrum 19, Prof. Dr. Susann Müller Arbeitsgruppenleiterin Flow Cytometry Dr. Christin Koch Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
9 Koch et al. (2013) Environ. Sci. Technol. 47:
10 Anwendung Biogasreaktor Phylogenetische Zusammensetzung Gesamtgemeinschaft + Subcommunities Zellsortierung DNA Extraktion + trflp Anwendung Biogasreaktor 1 Relative Fläche trf 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Gesamt-DNA G20 G8 G15 G7 G1 G3 G2 G10 G12 Substratüberladung Phase 4 Stabile Phase S 3 Stabile Phase S 2 Zugeordnete trfs Proteobacteria Bacteroidetes Firmicutes Variation der Zellzahlen in den einzelnen Subcommunities ohne Veränderung der phylogenetischen Zusammensetzung Potential zur Prozessüberwachung Koch et al. (2013) Environ. Sci. Technol. 47:
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