Struktur- und Funktionsbeziehungen anaerober, extrem halophiler mikrobieller Gemeinschaften aus Untergrundgasspeichern

Titelangaben

Schwab, Laura:
Struktur- und Funktionsbeziehungen anaerober, extrem halophiler mikrobieller Gemeinschaften aus Untergrundgasspeichern.
Bayreuth , 2024 . - XXI, 135 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Um die Ziele der Klimarahmenkonvention einzuhalten und um sich unabhängig von den Energie-Rohstoffen anderer Länder zu machen, fördern Deutschland und die EU-Staaten den Einsatz und Ausbau von erneuerbaren Energien. Zu diesen zählen Wasser- und Windkraft, sowie Photovoltaik. Da deren Produktion aber saisonalen Schwankungen unterliegt, ist es essenziell Speichermöglichkeiten zu finden. Elektrischer Strom kann über Wasserelektrolyse in Wasserstoffgas umgewandelt werden, dieses wiederum kann in großvolumigen Untergrundgasspeichern gelagert werden. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften bieten sich hierfür Salzkavernen an, die bereits seit Jahrzehnten für die Speicherung von Erdgas genutzt werden. Mit dem Wechsel von Erdgas auf Wasserstoff wird jedoch ein exzellenter Elektronendonor für den Energiestoffwechsel der mikrobiellen Gemeinschaft in die Kaverne eingetragen. Dies kann metabolische Reaktionen induzieren, die einer Risikoanalyse bedürfen. Zum einen kann die Aktivität von Wasserstoff verbrauchenden Mikroorganismen erhöht und so die absolute gespeicherte Gasmenge reduziert werden. Außerdem kann mit den im Salzgestein vorhandenen Sulfatsalzen Schwefelwasserstoff gebildet werden, was mit Korrosion an den Anlagenteilen und einer Verunreinigung des Speichergases einhergeht. Mikrobiologische Untersuchungen an Kavernenspeichern sind durch die betrieblichen Bedingungen erschwert und kostenintensiv, da die Sole, welche sich am Grund von Gaskavernen sammelt, die einzige Möglichkeit der Probenahme darstellt. Bis dato lagen keine Studien bezüglich der mikrobiellen Diversität oder Keimzahl in lokalen Kavernenspeichern vor und lediglich eine Studie, welche die mikrobielle Diversität in verdünnter Sole von kanadischen Kavernenspeichern untersuchte, die als Lagerstätte für kohlenwasserstoffkontaminierten Sand dienten. Unbekannt waren neben der mikrobiellen Zusammensetzung, die hydro- und physikochemischen Parameter der Sole, sowie die Auswirkungen, welche die hohen Salzkonzentrationen und das mutmaßlich geringe Nährstoffangebot auf die mikrobielle Gemeinschaft haben. Im Rahmen dieser Arbeit gelang erstmalig die Charakterisierung der mikrobiologischen Diversität nationaler Kavernenspeicher. Daraus ging hervor, dass sich Kavernenspeicher in der Zusammensetzung ihres Mikrobioms stark unterscheiden, aber zwei taxonomische Gruppen, Halanaerobiales und Desulfovibrionales, in jeder Kaverne nachgewiesen wurden. Die Makronährstoffe Ammonium (506 μM) und Phosphat (20 μM), sowie Acetat (481 μM) und weitere kurzkettige Fettsäuren konnten ebenfalls nachgewiesen werden und ein Teil der Soleproben wurde als Medium für Versuche mit halophilen Anreicherungskulturen eingesetzt. Es zeigte sich, dass die mikrobielle Gemeinschaft primär von den hohen Salzkonzentrationen und weniger von den verfügbaren Kohlenstoffquellen bestimmt wurde. Bei Versuchen mit den höchsten Salzgehalten waren die Wachstumsrate und damit metabolische Prozesse, wie Sulfatreduktion, verlangsamt. Um die kultivierungsbasierten Versuche zu ergänzen, wurde eine Methode zur Messung der mikrobiellen Inkorporation von Wasserstoff und Kohlenstoff auf Basis ihrer schweren Isotope etabliert. Dies beinhaltete die Entwicklung eines Protokolls zur Vorbereitung halophiler Mikroorganismen für Messungen im Hochvakuum des nanoSIMS Gerätes, sowie eine Optimierung und Neu-Einstellung der Messparameter, um auch Wasserstoffisotope messen zu können. Dies erlaubte final die Identifikation von 3,6 % bzw. 1,6 % aktiven Mikroorganismen in den Soleproben der Kavernen Cav-B und Cav-C, welche mit H2 als Elektronendonor inkubiert wurden. Währenddessen wurden in den H2-freien Ansätzen nur 0,5 % bzw. 3,1 % aktive Zellen nachgewiesen. Versuche mit einer extrem halophilen Anreicherungskultur, welche sich überwiegend aus Desulfovibrionales spp. und Halanaerobiales spp. zusammensetzt, bestätigen dies. Lange, kultivierungsbasierte Versuche zur Bestimmung der wasserstoffabhängigen Sulfatreduktion in der Kavernensole bestätigen dies. Die Anreicherungskultur erreichte in salzgesättigter Kavernensole innerhalb von 180 Tagen und unter Verbrauch von 40 mM H2 eine Zellzahl von bis zu 1,5x108 Zellen mL-1. Aus der Analyse des Genoms geht hervor, dass Desulfohalobiaceae spp. chemolithoautotroph und über den Wood-Ljungdahl Weg Kohlenstoff fixiert. Die Versuchsansätze mit natürlicher Kavernensole ohne Inokulum hingegen zeigten keine Sulfatreduktion innerhalb des Versuchszeitraums. Zudem wurde keine mikrobiell induzierte Korrosion in Versuchsansätzen mit Eisenprüfkörpern nachgewiesen. In ihrer Gesamtheit weisen die Ergebnisse darauf hin, dass unter autotrophen und sulfatreduzierenden Kavernenbedingungen Desulfovibrionales spp. und Halanaerobiales spp. zu erwarten sind und einen erhöhten Anteil an Schwefelwasserstoff bilden und Korrosion verursachen. Beide Vorgänge sollten für eine Risikobewertung der Wasserstoffspeicherung im Untergrund berücksichtigt werden. Die etablierte Methode zur Identifikation von aktiven Mikroorganismen in Soleproben bietet eine Möglichkeit, zunehmende mikrobielle Stoffwechselprozesse während der Speicherung von Wasserstoffgas zu überwachen und kann perspektivisch weiterentwickelt werden, um die aktiven Mikroorganismen ihrer taxonomischen Gruppe zuzuordnen.

Abstract in weiterer Sprache

To comply with the goals of the Framework Convention on Climate Change and to become independent of the energy feedstock of other countries, Germany and the EU states promote the use and expansion of renewable energies. These include hydro- and wind power, as well as photovoltaics. However, since their production is subject to seasonal fluctuations, it is essential to find storage options. Electricity can be converted into hydrogen gas via water electrolysis, which in turn can be stored in large-scale underground gas storage facilities. Due to their chemical properties, salt caverns, which have already been used for decades to store natural gas, are ideal for this purpose. However, with the change from natural gas to hydrogen, an excellent electron donor for the energy metabolism of the microbial community is introduced into the cavern. This may induce metabolic reactions that require risk analysis. First, microbial activity may consume hydrogen, reducing the amount of gas stored. In addition, hydrogen sulfide can be formed with the sulfate salts present in the salt rock. This is associated with corrosion of the plant components and contamination of the stored gas. Microbiological investigations of cavern storage facilities are complicated and costly due to the operational conditions, as the brine that collects at the bottom of gas caverns is the only possibility for sampling. To date, there have been no studies on microbial diversity or microbial counts in local cavern storage facilities and only one study examining microbial diversity in diluted brine from a Canadian salt cavern used to store hydrocarbon contaminated sand. In addition to the microbial composition, the hydro- and physicochemical parameters of the brine, as well as the combined effects of the high salt concentrations and the presumably low nutrient supply on the microbial community were unknown. This work was the first to characterize the microbiological diversity of national cavern storage facilities and revealed that these cavern reservoirs differ greatly in the composition of their microbiome, but two taxonomic groups, Halanaerobiales and Desulfovibrionales, were detected in each cavern reservoir. The macronutrients ammonium (506 μM) and phosphate (20 μM), as well as acetate (481 μM) and other short-chain fatty acids were detected and therefore the brine samples were used as a growth medium for experiments with halophilic enrichment cultures. It was shown that the microbial community was primarily determined by the high salt concentrations and less by the available carbon sources. In experiments with the highest salt contents, the growth rate and thus metabolic processes, such as sulfate reduction, were slowed down. To complement the cultivation-based experiments, a method was established to measure microbial incorporation of hydrogen and carbon based on their heavy isotopes. This involved the development of a protocol to prepare halophilic microorganisms for measurements in the high vacuum of the nanoSIMS instrument, as well as optimization and re-setting of the measurement parameters to also measure hydrogen isotopes. It finally allowed the identification of 3.6 % and 1.6 % active microorganisms in the brine samples of the caverns Cav-B and Cav-C, which were incubated with H2 as electron donor. Meanwhile, only 0.5 % and 3.1 % active cells were detected in the H2-free preparations. This was confirmed in experiments with an extremely halophilic enrichment culture consisting mainly of Desulfovibrionales spp. and Halanaerobiales spp. Long-term, cultivation-based experiments to determine the hydrogen-dependent sulphate reduction in the cavern brine confirm this. The enrichment culture reached a cell number of up to 1.5x108 cells mL-1 in salt-saturated cavern brine within 180 days and under consumption of 40 mM H2. The analysis of the genome shows that Desulfohalobiaceae spp. are chemolithoautotrophic and fix carbon via the Wood-Ljungdahl pathway. In contrast, the experimental approaches with natural cavern brine without inoculum did not show sulfate reduction during the experimental period. In addition, no microbially induced corrosion was detected in experiments with iron test specimens. Taken as a whole, the results indicate that taxa of Desulfovibrionales and Halanaerobiales are to be expected and pose a risk under autotrophic and sulfate-reducing cavern conditions. The established method for identifying active microorganisms in brine samples provides a way to monitor increasing microbial during hydrogen gas storage and can be further developed in perspective to assign the active microorganisms to their taxonomic group.