Auswirkungen auf die mikrobielle Kohlendioxid- und Methanproduktion

Die größten Anteile an den Pansengasen haben Kohlendioxid (65 Vol%) und Methan (30 Vol%) (CZERKAWSKI 1986).

Kohlendioxid wird besonders während der Synthese flüchtiger Fettsäuren im intraruminalen Kohlenhydratstoffwechsel gebildet und gilt neben Essigsäure als Hauptprodukt des Celluloseabbaus.

Methan wird zur Energiegewinnung von den strikt anaeroben methanogenen Bakterien (z. B.

Methanobrevibacter ruminantium und bryantii, Methanomicrobium mobile, Methanobacterium formicicum, Methanosarcina barkeri) synthetisiert, die dabei vorwiegend auf Substrate wie CO2 und H2 angewiesen sind. Letztere werden von fermentierenden Pansenmikroorganismen (z. B. Cellulolyten, Protozoen) zur Verfügung gestellt (HUNGATE 1967; WHITMAN et al. 1992; WOLIN et al. 1997). Andere Substrate, wie Formiat, Methanol und Acetat, spielen für die Methanogenese eine untergeordnete Rolle (HUNGATE et al.

1970; VAN HOVEN u. PRINS 1977; CZERKAWSKI 1986). Die methanogenen Bakterien sind auf Protozoen angewiesen, denn sie haften auf deren Oberflächen und nutzen den als Endprodukt ausgeschiedenen Wasserstoff (VOGELS et al. 1980; STUMM et al. 1982;

KRUMHOLZ et al. 1983).

DCAB-Zugabe:

Unter Ammoniumchlorid- und Magnesiumsulfat-Zugabe blieb die Gesamtgasproduktion und –zusammensetzung unverändert (s. Übers. 5.1).

Hingegen führte die Gabe von Calciumchlorid, Calciumsulfat und Magnesiumsulfat in allen gewählten Konzentrationen zu einer nicht signifikanten Abnahme des Methananteils (s. Tab.

5.1 u. Übers. 5.2). CO2 blieb unbeeinflußt. Eine meßbare H2-Produktion wurde nicht beobachtet (persönl. Mitteilung CHAWANIT 2002).

Im anaeroben Stoffwechsel ist Methan ein wichtiger Elektronenaktzeptor und wichtig für die Wiederoxidierung von NADH+H⁺ zu NAD⁺ und H2, indem H2 verbraucht wird (WOLIN et al. 1997).

Es entsteht nur durch die strikt anaeroben methanogenen Bakterien, wenn andere Elektronenaktzeptoren, wie NO3-, Fe³⁺ und SO42-, fehlen oder in niedrigen Konzentrationen vorliegen (KRISTJAANSSON et al. 1982; WHITMAN et al. 1992). Folglich kann die Methanogenese nach Gabe der sulfathaltigen DCAB-Salze (s. Tab. 5.1) durch einen Konkurrenzkampf der Methanbildner mit sulfidogenen Bakterien vermindert worden sein.

Eine andere Erklärungsmöglichkeit ist eine direkte Hemmung der Methanogenese. In den im RUSITEC durchgeführten Untersuchungen von JASPER (2000, Zulage von 400 mg Natriumsulfat) und MITTROWANN (1999, Zulage von 100 mg Natriumsulfit) wurde ebenfalls ein Rückgang der Methanogenese beobachtet. Dabei war nach Sulfitzugabe ein stärkerer Rückgang zu verzeichnen, was auf die Toxizität von Sulfit zurückgeführt wurde, während Sulfat erst nach dessen Reduktion toxisch werden konnte (JASPER 2000). Sulfat wird vorübergehend in Sulfit (BRAY 1969), dann in Sulfid und unter den gegebenen anaeroben Bedingungen in H2S umgewandelt (WEIGAND 1974). Diese Reduktionsprodukte haben toxische Wirkungen, die bei HÖHLING (2000) ausführlich aufgelistet werden.

In der vorliegendenen Untersuchung waren alle DCAB-Salzmischungen sulfathaltig (s. Tab.

5.1), ohne erkennbare Auswirkung auf die Methanogenese bei den calciumfreien DCAB-Salzmischungen. Bei diesen ist der S-Gehalt sogar geringfügig höher als bei den calcium-haltigen Zulagen, z. B. bei - 300 meq/kg TS (Gesamtration) um + 0,09 g. Eine verringerte Methanogenese (bis zu - 8,29 %) war jedoch nur bei den calciumhaltigen DCAB-Salzen meßbar, bei der ammoniumhaltigen DCAB hingegen blieb die Methanogenese bei allen Dosierungen unverändert. Folglich scheint Sulfat als Ursache der verminderten Methanogenese unwahrscheinlich.

Tab. 5.1: Gegenüberstellung unterschiedlicher Sulfat-Salzzulagen und ihr Einfluß auf die Methangehalte (s. auch Tab. 3.6)

* = Rückgang erst 4 Tage nach Zulagebeginn, Mittelwert jedoch wegen Vergleichbarkeit für ganze Zulagephase ermittelt

** = Mittelwert für letzte 5 Tage der Zulagephase berechnet

Ein Rückgang der methanogenen Bakterien kann auch auf einen Rückgang der Protozoen zurückgeführt werden (DEMEYER u. VAN NEVEL 1979; JOUANY et al. 1981; ITABASHI et al. 1984; WHITELAW et al. 1984; KREUZER et al. 1986). Den Methanbildnern fehlt dann die Anheftungsgrundlage. Jedoch wurde die Protozoenzahl in dieser Untersuchung nicht beeinflußt (persönl. Mitteilung CHAWANIT 2002), so daß diese Möglichkeit ausgeschlossen werden kann.

Magnesium in Form von Magnesiumoxid bewirkte in den Untersuchungen von KRAKOW (1992) im RUSITEC einen Anstieg des Methananteils auf bis zu 19,0 Vol%, ebenso bei DIRKSEN (1990 a; Anstieg der Methanproduktion um 30 %). Diese Beobachtungen konnten in dieser Untersuchung mit Magnesiumsulfat nicht gemacht werden. Alleinige MgSO4 -Zugaben (- 100 bis - 300 meq/kg TS; s. Tab. 5.1) bewirkten keine Veränderungen des Methananteils. Hingegen nahm die Methanbildung um bis zu – 8,29 % ab, wenn zusätzlich Ca²⁺-haltige DCAB-Salze zugelegt wurden. Folglich kann der Rückgang nicht durch Magnesiumionen ausgelöst worden sein. Die Untersuchungen von DIRKSEN (1990 a) und KRAKOW (1992) zeigten, daß Magnesiumionen die Methanogenese fördern und nicht hemmen. Es gibt magnesiumabhängige Stoffwechselwege, die über einen Tetrahydrofolsäurekomplex (DANIELS et al. 1984; RUSSEL u. WALLACE 1997) oder ein NADPH-abhängiges System (ELLEFSON u. WOLFE 1980) letztendlich zur Methanbildung führen (näheres s. SCHIRMER 1990). Mg²⁺ ist nachgewiesenermaßen ein Cofaktor der Methylreduktase im letzten Reduktionsschritt der Methanogenese (CZERKAWSKI 1986).

Dabei wurden maximale Methan-Produktionsraten bei höheren Magnesiumkonzentrationen erreicht.

Alle DCAB-Salzmischungen, die zu einer geringeren Methanogenese führten, enthalten Calciumionen, während die calciumfreien Salzmischungen keine Änderungen hervorriefen.

Auf der anderen Seite beschreibt BECKER (1994) Calcium als Wachstumsfaktor für Pansenbakterien. Es hat Bedeutung für die Synthese und Stabilität von Zellmembranen und für die Aktivierung hydrolytischer Enzyme, wie Proteasen und Cellulasen. Die Aufnahme in die Zelle erfolgt über einen energieabhängigen Transport. Die Frage nach der Ursache für negative Einflüsse von Calciumionen auf die Methanogenese bleibt in der Literatur unbeantwortet. Inwieweit die Ionen-Kombination Mg-Ca eine Rolle für diese Beobachtung spielt muß zur Zeit offen bleiben.

Ein anderer Grund für die verringerte Methanogenese kann in der Förderung der Propionatbildung durch Calcium bei abnehmender Acetat- und Butyratproduktion liegen.

Dabei entsteht weniger H2, so daß weniger der Methanbildung zur Verfügung steht (WOLIN et al. 1997). Die in dem Versuch gemessenen unveränderten Propionsäure-Produktionen sprechen allerdings gegen eine Begünstigung der Propionatbildung.

Auswirkungen der verschiedenen DCAB-Salze auf den Kohlenhydratstoffwechsel sind hier nicht erkennbar. Die CO2- und Essigsäure-Produktionen zeigten keine Veränderungen.

Zusammenfassend kann vermutet werden, daß nach Zugabe von Calciumchlorid, Calciumsulfat und Magnesiumsulfat eine Schädigung der methanogenen Bakterien erfolgte.

Warum nur diese Zulagen einen Effekt hatten, bedarf weiterer Untersuchungen. Andere Parameter, die Änderungen der Pansenfermentation anzeigen, waren bei den betreffenden Zulagefermentern nicht verändert (s. Übers. 5.2).

5.5 Auswirkungen auf den Calcium- und Magnesiumgehalt im Überstand