Bioprocess development for wastewater-based polyhydroxyalkanoates production and their marine biodegradation

Die zunehmende Belastung der Umwelt durch langlebige, erdölbasierte Kunststoffe hat das Interesse an biologisch abbaubaren, biobasierten Alternativen wie Polyhydroxyalkanoaten (PHA) verstärkt. Der großflächige Einsatz von PHAs wird bisher jedoch durch hohe Produktionskosten und ein begrenztes Verständnis ihres biologischen Abbaus unter realen Umweltbedingungen verhindert. Diese beiden zentralen Herausforderungen, die Entwicklung eines kostengünstigen Verfahrens zur PHA-Produktion mittels Mischkulturen (Mixed Microbial Cultures, MMC) aus industriellem Abwasser sowie die Untersuchung des marinen Abbauverhaltens von PHA mit besonderem Fokus auf Biofilmstrukturen und deren ökologischen Auswirkungen, werden in der vorliegenden Dissertation adressiert. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein wirtschaftliches Verfahren zur Anreicherung von PHA-akkumulierenden Mikroorganismen aus Belebtschlamm in einem Sequencing-Batch-Reaktor (SBR) unter abwechselnden Feast- und Famine-bedingungen entwickelt. Dabei wurden kontinuierliche und Batch Kultivierungsstrategien unter Verwendung von Abwasser aus der Hefeindustrie als Kohlenstoffquelle verglichen. Obwohl mit der kontinuierlichen Kultivierungsstrategie eine etwas geringere intrazelluläre PHA-Anreicherung von 65 % der Zelltrockenmasse erzielt wurde (Batch-Kultivierungsstrategie: 72 %), ermöglichte sie eine deutlich höhere Biomasseproduktivität. Dies führte zu einem rechnerischen Jahresertrag von 270 Tonnen PHA bei halbem Reaktorvolumen (45 m3). Zudem wurde nachgewiesen, dass geringe Ammoniumkonzentrationen für eine stabile PHA-Produktion erforderlich sind. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit dem biologischen Abbau von Polyhydroxybutyrat (PHB) in marinen Umgebungen. Dazu wurden Ex-situ-Versuche in Laborreaktoren sowie In-situ-Feldversuche in Küstensedimenten durchgeführt. Mittels 16S rRNA gene-Sequenzierung wurden die Zusammensetzung und Dynamik der sich auf PHB-Oberflächen bildenden Biofilme analysiert. Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede zwischen den mikrobiellen Gemeinschaften unter Labor- und Realbedingungen, was die begrenzte Übertragbarkeit standardisierter Tests auf natürliche Systeme verdeutlicht. Auch die Sauerstoffverhältnisse beeinflussten die Zusammensetzung der Biofilme erheblich. Darüber hinaus unterschied sich die PHB-besiedelte Biofilmstruktur klar von natürlichen Referenzproben wie freilebenden Bakterien, partikel- oder sedimentgebundenen Biofilmen. Ergänzend wurde der Einfluss von PHB, Bambus und HDPE auf die mikrobielle Zusammensetzung der umgebenden marinen Sedimente untersucht. Mittels 16S-rRNA gene-Sequenzierung wurde festgestellt, dass nicht nur die Bakteriengemeinschaften auf der Materialoberfläche, sondern auch das umgebende Sediment durch die jeweiligen Testmaterialien geprägt wurden. Im Fall von PHB wurde die größte Beeinflussung direkt an der Oberfläche des Testmaterials beobachtet. Hier ist im Vergleich zu natürlichen Sedimenten und Sedimenten in der Umgebung des Testmaterials eine höhere Abundanz abbauaktiver Bakterienordnungen wie Desulfobacterales nachweisbar, was auf eine gezielte mikrobielle Anpassung an das Biopolymer schließen lässt. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis sowohl der technischen Umsetzbarkeit einer nachhaltigen PHA-Produktion als auch der ökologischen Prozesse während ihres Abbaus in marinen Habitaten. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Umweltbedingungen bei der ökologischen Bewertung biologisch abbaubarer Polymere und liefern eine wissenschaftliche Grundlage für deren umweltgerechte Anwendung.