Entwicklung von Methoden zur Untersuchung einer biologisch aktiven Methanoxidationsschicht

In zahlreichen Altdeponien sind in großer Menge biologisch abbaubare Stoffe enthalten, bei deren Verstoffwechselung große Mengen klimaschädlicher Methanemissionen entstehen. Deponien tragen damit zu einem signifikanten Anteil zu den globalen Methanemissionen bei. Da der Abbau verstoffwechselbarer Bestandteile innerhalb eines Deponiekörpers räumlich und zeitlich inhomogen verläuft, ist davon auszugehen, dass diese Deponien noch über mehrere Dekaden Methan emittieren werden. Mit dem Ende dieser Emissionen können Folgenutzungen einer Deponie erfolgen und der Deponiebetreiber wird von seinen bisherigen Pflichten entbunden, womit die sogenannte Nachsorge endet. In diesem Zusammenhang stellt der Einsatz der biologischen Methanoxidation einen möglichen Ansatz zur Behandlung anfallender Schwachgase, auch über die Nachsorgephase hinaus, dar. Dieser Ansatz bietet, vor allem in der Anwendung als passive Behandlungsschicht in einer Deponieabdeckschicht, enorme Potentiale. Bedingung für die Anwendbarkeit einer biologischen Oxidationsschicht ist die Prognostizierbarkeit der Behandlungsleistung unter dem Einfluss variierender Umweltbedingungen. Zur Lösung dieser Aufgabe bedarf es computergestützter Modellierungen, welche in der Lage sind, die energetischen und stofflichen Austauschprozesse abzubilden. Der Aufbau des notwendigen Computermodells stellt hierbei neue Anforderungen an die Methoden zur empirischen Untersuchung der biologischen Oxidationsschicht, denen im Rahmen dieser Arbeit Rechnung getragen wird. Auf der Grundlage von zuvor abgestimmten Schnittstellen zwischen experimentellen Untersuchungen und einer computergestützten Modellierung erfolgte die Entwicklung und Weiterentwicklung von Methoden zur Erfassung und Beschreibung der Aktivität methanotropher Zellen. Aufbauend auf diskontinuierlichen Versuchen in dreiphasigen Systemen wurde im Verlauf dieser Arbeit eine zeitoptimierte Methode zur parameterscharfen Untersuchung der Aktivität methanotropher Zellen entwickelt. Diese Methode stellt ein Novum in der Analyse der biologischen Aktivität methanotropher Mikroorganismen dar und basiert auf der Durchführung respiratorischer Messungen. Durch die Entwicklung dieser Methode war es möglich, die essenziellen Eingangsdaten für den Aufbau eines computergestützten Modells zu ermitteln. Dabei wurde insbesondere der Einfluss unterschiedlicher Umgebungsparameter wie Gaskonzentration, Temperatur und gelöster Stoffe im Nährmedium parameterscharf betrachtet. Eine entscheidende Weiterentwicklung gelang durch den Einsatz der Thermografie zur Detektion der Wärmeemission, die mit der biologischen Methanoxidation einhergeht. XIX Durch die Entwicklung eines spezialisierten Versuchsaufbaus und die Anwendung dieser Technologie gelang die Erfassung der dynamischen Aktivitätsverteilung innerhalb eines Bodenkörpers in vertikaler und horizontaler Richtung. Durch die Anwendung der Fluoreszenz in situ Hybridisierung konnten die relevanten methanotrophen Organismen qualitativ in den unterschiedlichen Bodenschichten nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnte diese genspezifische qualitative Methode hin zu einer quantitativen Messmethode entwickelt werden. Hiermit war es möglich, neben der qualitativen Verteilung auch erstmals die quantitative Verteilung zu erfassen. Das auf den durch die Respirationsmessungen erhaltenen Eingangsgrößen basierende computergestützte Modell wurde, mittels des entwickelten, kontinuierlich betriebenen Versuchsaufbaus, validiert. Hierbei zeigte sich eine hohe Übereinstimmung zwischen den experimentellen Daten und den Ergebnissen der Simulation hinsichtlich der dynamischen Prozesse und räumlichen Verteilung der biologischen Methanoxidation.

Numerous old landfills contain large quantities of biodegradable substances. Their metabolism results in large quantities of climate-damaging methane emissions. Landfills thus make a significant contribution to global methane emissions. Since the degradation of metabolizable components within a landfill is inhomogeneous in terms of space and time, it can be assumed that these landfills will continue to emit methane for several decades. With the end of these emissions, subsequent uses of a landfill can take place and the landfill operator is released from his previous obligations. In this context, the use of biological methane oxidation represents a possible approach to the treatment of lean gases that occur, also beyond the aftercare phase. This approach offers enormous potential, especially when used as a passive treatment layer in a landfill cover layer. The condition for the applicability of a biological oxidation layer is the predictability of the treatment performance under the influence of varying environmental conditions. To solve this task, computer-aided modeling is required, which is able to depict the energetic and material exchange processes. The construction of the necessary computer model places new demands on the methods for the empirical investigation of the biological oxidation layer, which are taken into account in this work. Methods for recording and describing the activity of methanotrophic cells were developed and further developed on the basis of previously agreed interfaces between experimental investigations and computer-aided modeling. Based on discontinuous experiments in three-phase systems, a time-optimized method for the parameter-specific investigation of the activity of methanotrophic cells was developed in the course of this work. This method represents a novelty in the analysis of the biological activity of methanotrophic microorganisms and is based on the implementation of respiratory measurements. By developing this method, it was possible to determine the essential input data for the construction of a computer-aided model. In particular, the influence of different environmental parameters such as gas concentration, temperature and dissolved substances in the nutrient medium was carefully considered. A decisive further development was achieved through the use of thermography to detect the heat emission associated with biological methane oxidation. By developing a specialized experimental set-up and using this technology, it was possible to record the dynamic distribution of activity within a soil body in the vertical and horizontal directions. By using fluorescence in situ hybridization, the relevant methanotrophic organisms could be detected qualitatively in the different soil layers. In addition, this XXI gene-specific qualitative method could be developed into a quantitative measurement method. In addition to the qualitative distribution, this also enabled the quantitative distribution to be recorded for the first time. The computer-aided model based on the input variables obtained from the respiration measurements was validated using the continuously operated test set-up that was developed. There was a high degree of agreement between the experimental data and the simulation results with regard to the dynamic processes and spatial distribution of the biological methane oxidation.

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