Um Interaktionsmuster in beiden Anlagentypen unterscheiden zu können, wurden mikrobielle Netzwerke für BPs und STPs berechnet und diese im Anschluss verglichen (3.2.6.1). Ein besonderer Fokus wurde dabei auf die Interaktionsmuster der jeweiligen Schlüsselmikroorganismen gelegt (3.2.6.2).
3.2.6.1 Vergleich der Netzwerkparameter beider Netzwerke
Die betrachteten Netzwerkparameter unterschieden sich sowohl für das BP-, als auch für das STP-Netzwerk von den jeweils 100 zufällig generierten Netzwerken (Tabelle 15), weshalb davon ausgegangen werden kann, dass diese die oben genannten Kriterien (vgl. 1.5.2) erfüllten.
Die berechneten mikrobiellen Netzwerke der BPs und STPs unterschieden sich deutlich in ihrer Komplexität (Tabelle 15). Das Netzwerk für BPs bestand aus weniger Knoten (183) und Kanten (367) als das Netzwerk der STPs (Knoten: 275; Kanten: 397).
Im BP-Netzwerk war der Anteil an intermodularen Kanten (39,2 %) mehr als doppelt so hoch wie im STP-Netzwerk (19,4 %). Auch der Anteil an archaellen Knoten an der Zahl der Gesamtknoten war beim BP-Netzwerk (ca. 16 %) mehr als doppelt so hoch im Vergleich zum STP-Netzwerk (ca. 7 %). Die Konkurrenzsituation zwischen verschiedenen Spezies wurde auch in den mikrobiellen Interaktionsmustern deutlich:
der höhere Anteil an negativen Interaktionen im BP-Netzwerk war indikativ für einen hohen Konkurrenzdruck, wohingegen dieser beim STP-Netzwerk niedriger war und deshalb weniger negative Interaktionen beobachtet wurden.
Die durchschnittliche Anzahl an Kanten war im BP-Netzwerk mit 4,011 deutlich höher als im STP-Netzwerk (2,887), d.h. die Knoten wiesen eine stärkere Vernetzung auf.
Trotzdem waren sowohl die Anzahl der Module, als auch der durchschnittliche Clusterkoeffizient im STP-Netzwerk höher, was indikativ für eine starke Vernetzung der Knoten innerhalb der Module aufgrund des unspezifischen Substratspektrums war.
Tabelle 15: Übersicht der Netzwerkparameter für die berechneten Netzwerke in Biogas- und Kläranlagen (modifiziert übernommen aus Buettner und Noll 2018b)
Zur statistischen Absicherung wurden jeweils 100 zufällige Netzwerke mit der gleichen Anzahl an Knoten und Kanten generiert (vgl. 2.5.5.6).
Parameter Biogasanlagen (BPs) Kläranlagen (STPs) Finales Netzwerk Zufällige
Netzwerke Finales Netzwerk Zufällige Netzwerke
Anzahl Knoten 183 183 275 275
Anzahl Kanten
Intramodular 223 - 320 -
Intermodular 144 - 77 -
Positiv 138 - 224 -
Negativ 229 - 173 -
Gesamt 367 367 397 397
Anzahl Module 10 - 30 -
Modularität 0,458 0,449 ± 0,006 0,708 0,624 ± 0,009
Durchschnittlicher
Clusterkoeffizient1 0,106 0,084 ± 0,016 0,142 0,013 ± 0,005 Durchschnittliche
Konnektivität2 4,011 - 2,887 -
1Maß für die Vernetzung von benachbarten Knoten untereinander
2Durchschnittliche Anzahl an Kanten pro Knoten
3.2.6.2 Identifikation von Schlüsselorganismen und deren Interaktionsmuster
Im BP-Netzwerk wurde ein hoher Anteil der Knoten (39 Knoten, ca. 21 %) einer generalistischen Rolle zugeordnet (Abbildung 16). Diese 39 Generalisten wiesen untereinander 88 Kanten auf. Zusätzlich hatten die Generalisten 197 Kanten zu OTUs, die den Spezialisten zugeordnet wurden.
Abbildung 16: Einteilung der OTUs in den Biogasanlagen anhand ihrer topologischen Rollen im Netzwerk (übernommen aus Buettner und Noll 2018b)
Allen OTUs wurden anhand ihrer individuellen Z- und P-Werte einer der vier Gruppen zugewiesen (vgl. 1.5.4). Bakterielle OTUs sind als Rechtecke gekennzeichnet, archaelle OTUs als Rauten. Die zugehörige Zahl kennzeichnet die jeweilige OTU-Nummer. Eine Übersicht mit den Interaktionen aller Knoten findet sich im Anhang (Tabelle AE06).
Es wurden vier Module Hubs, vier Network Hubs und 31 Connectors identifiziert (Tabelle A03). Als Module Hubs wurden Vertreter der bakteriellen Ordnungen SHA-98 (OTU0326) und Cloacamonales (OTU0733) sowie zwei OTUs (OTU1022, OTU0928) der archaellen, hydrogenotrophen Ordnung Methanomicrobiales identifiziert. Alle Network Hubs waren Vertreter der hydrogenotrophen Taxa Methanobacteriaceae (OTU0434), Methanomicrobiales (OTU0216) oder dem acetoklastischen Genus Methanosaeta (OTU0141 und OTU0977). Die Connectors waren zum größten Teil
Vertreter der hydrolytischen Ordnungen Bacteroidales (OTU0305 und OTU310) und Clostridiales (OTUs 0379, 0396, 0399, 0436, 0558, 0574, 0661 und 0728). Archaelle Connectors waren die OTUs 0274 (Methanosaetaceae), 0354 und 1039 (beide Methanobacteriaceae). Rund zwei Drittel der Generalist-Generalist-Interaktionen waren negativ. Am häufigsten (23) wurden generalistische Interaktionen zwischen an der Hydrolyse/Acidogenese beteiligten OTUs und archaellen, hydrogenotrophen OTUs beobachtet (Tabelle 16). Ebenso wurden acht Interaktionen zwischen OTUs gefunden, die an der Hydrolyse/Acidogenese und AcMe beteiligt waren. An 51 % der Interaktionen waren OTUs beteiligt, deren Rolle während der AD nicht bekannt war.
Tabelle 16: Anzahl der Interaktionen zwischen generalistischen OTUs im BP-Netzwerk (modifiziert übernommen aus Buettner und Noll 2018b)
Die Zuordnung der jeweiligen OTUs zum jeweiligen Schritt der AD (Tabelle A03) wurde anhand der vorliegenden Literatur getroffen. Die Zahlen geben die Anzahl der Interaktionen (negativ/positiv) unter den generalistischen OTUs an.
Schritte der AD
Hydrolyse/ Acidogenese Acetogenese Hydrogenotrophe Methanogenese Acetoklastische Methanogenese Acetat-Oxidation Unbekannt
Hydrolyse/
Acidogenese 1/0 0/0 16/9 5/3 0/0 4/3
Acetogenese 0/0 2/0 1/1 0/0 2/0
Hydrogenotrophe
Methanogenese 0/2 1/1 0/2 18/4
Acetoklastische
Methanogenese 0/0 1/0 5/3
Acetat-Oxidation 0/0 0/1
Unbekannt 3/2
Im Kläranlagen-Netzwerk wurden lediglich elf Generalisten identifiziert, was einem Anteil der Generalisten von 4 % entsprach (Abbildung 17). Es wurden drei Module Hubs und acht Connectors gefunden (Tabelle A04). Zwischen den elf Generalisten
waren lediglich drei Interaktionen vorhanden (Tabelle 17). Module Hubs waren die bakteriellen OTUs 0129 und 0228. Der dritte Module Hub war OTU0789, ein Mitglied der hydrogenotrophen Ordnung Methanomicrobiales. Die Connectors beinhalteten Acidobacteria (OTU1021, OTU0964), Firmicutes (OTU0883, OTU0121), Actinobacteria (OTU0707), Bacteroidetes (OTU556), Fibrobacteres (OTU0322) und Spirochaetes (OTU0363)
Abbildung 17: Einteilung der OTUs in den Kläranlagen anhand ihrer topologischen Rollen im Netzwerk (übernommen aus Buettner und Noll 2018b)
Allen OTUs wurden anhand ihrer individuellen Z- und P-Werte einer der vier Gruppen zugewiesen (vgl. 1.5.4). Bakterielle OTUs sind als Rechtecke gekennzeichnet, archaelle OTUs als Rauten. Die zugehörige Zahl kennzeichnet die jeweilige OTU-Nummer. Eine Übersicht mit den Interaktionen aller Knoten findet sich im Anhang (Tabelle AE06).
Aufgrund der unvollständigen taxonomischen Zuordnung konnte lediglich fünf der elf generalistischen OTUs eine definierte Rolle während der AD zugeordnet werden (Tabelle A04). Eine Interaktion wurde für OTUs beobachtet, die beide an der Hydrolyse/Acidogenese beteiligt waren. An den beiden anderen Interaktionen war jeweils eine OTU beteiligt, deren Rolle während der AD nicht näher beschrieben werden konnte.
Tabelle 17: Anzahl der Interaktionen zwischen generalistischen OTUs im STP-Netzwerk (modifiziert übernommen aus Buettner und Noll 2018b)
Die Zuordnung der jeweiliges OTUs zum jeweiligen Schritt der AD (Tabelle A04) wurde anhand der vorliegenden Literatur getroffen. Die Zahlen geben die Anzahl der Interaktionen (negativ/positiv) unter den generalistischen OTUs an.
Schritte der AD
Hydrolyse/ Acidogenese Acetogenese Hydrogenotrophe Methanogenese Acetoklastische Methanogenese Acetat-Oxidation Unbekannt
Hydrolyse/
Acidogenese 1/0 0/0 0/0 0/0 0/0 1/1
Acetogenese 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0
Hydrogenotrophe
Methanogenese 0/0 0/0 0/0 0/0
Acetoklastische
Methanogenese 0/0 0/0 0/0
Acetat-Oxidation 0/0 0/0
Unbekannt 0/0
Funktionelle Charakterisierung der Biogasanlagen
Zur funktionellen Charakterisierung der Biogasanlagen wurden für je fünf Replikate aller 16 Biogasanlagen die Proteinprofile ermittelt. Die detektierten Proteine wurden taxonomisch und funktionell zugeordnet (3.3.1) und anschließend der dominierende Methanogeneseweg für jedes Replikat bestimmt (3.3.2). Zur Identifikation ähnlicher Proteinprofile wurden Hauptkomponentenanalysen auf Spezies-, Protein- und KO-Ebene (3.3.3) durchgeführt. Anhand der Proteinprofile wurden außerdem Schlüsselorganismen für die verschiedenen Schritte der AD identifiziert (3.3.4) und die Abhängigkeit der relativen Abundanz von der funktionellen Redundanz evaluiert (3.3.5). Der Einfluss der Prozessparameter auf die Proteinprofile wurde zunächst durch eine CCA ermittelt und der Einfluss anschließend mittels Korrelationsanalysen näher spezifiziert (3.3.6). Zuletzt wurden Netzwerke berechnet, um unterschiedliche mikrobielle Interaktionsmuster in Abhängigkeit der Methanogenesewege zu identifizieren (3.3.7).