BioHyRep

Förderzeitraum: 01.05.2020-30.04.2021

Förderung: Förderkennzeichen 01DJ20007

Mikroalgen standen in den letzten Jahren als vorteilhaftes Alternativsystem für die biologische Abwasserbehandlung (Phosphat-und Stickstoffrückgewinnung), während gleichzeitig Biomasse erzeugt wird, die für die Produktion von hochwertigen Chemikalien (Algenmetaboliten) und/oder Biogas durch anaerobe Gärung und andere Bioprodukte wie Biodünger, Tierfutter usw. genutzt werden könnte. Während die konventionelle Methoden wie chemische Ausfällung von Phosphor mit CaCl2- oder Al-Verbindungen in der Abwasserbehandlung weit verbreitet ist, ist Phosphat aus dem chemisch ausgefällten Schlamm oft schlecht bioverfügbar und endet in der Regel irreversibel auf Deponien. Das Verfahren mit Mikroalgen ist jedoch noch nicht umfassend erforscht und technologisch rückständig und aufgrund des verfügbaren Stands der Technik nur begrenzt leistungsfähig. Die überwiegende Mehrheit der bisherigen Studien wurde an freilebenden Zellen von Mikroalgen durchgeführt, nicht aber an Zellen, die in die Biofilmmatrix eingebettet sind.

Das Projekt ist eine bilaterale deutsche und russische Kooperation. Im Rahmen des Projekts von deutscher Seite wird die Effizienz der Nährstoffrückgewinnung, insbesondere von Phosphor durch eine Mischkultur von Mikroalgen und Bakterien über eine biopolymere Matrix erfolgen. Parallel dazu erfolgt eine Biomasseproduktion in einer adaptierten Abwasseranlage (Algae Turf Srubber) im Pilotmaßstab, die am Forschungszentrum Jülich, dem assoziierten Partner von deutscher Seite, betrieben wird.  Darüber hinaus werden auch molekulare Diagnostik wie FISH, rt PCR und Mikroskop Analysen durchgeführt, um die Wechselwirkungen der beteiligten Mikroalgen und Mikroorganismen während der Phosphorrückgewinnung und der Biomasseproduktion zu untersuchen. Während der zweiten Hälfte des Projekts wird ein Bioraffineriekonzept entwickelt und die Algenbiomasse, die bei der Phosphorrückgewinnung aus Abwasser entsteht, als Co-Substrat weiter getestet, um ihr Biogaspotenzial zu bestimmen.

Das Ziel dieses Projekts ist es, durch die bilaterale DE-RUS-Kooperation fortgeschrittene Studien zur Biosequestrierung von Phosphor durch komplexe Biofilmgemeinschaften von Algen und Bakterien sowie dessen Anreicherung zu etablieren. Wir wollen den innovativen Ansatz an der Schnittstelle zwischen dem sich stark entwickelnden Bereich der synthetischen Ökologie und der Entwicklung von Biohybridmaterialien nutzen, um den Weg für die Umsetzung eines bioraffineriebasierten Prozesses zur Verwertung von Nährstoffen aus Abwasser und Abfall Kohlendioxid in Richtung Biogas- und Bio-Düngemittelproduktion zu ebnen. Die Kombination des Fachwissens über den Bereichen mikrobieller Stoffwechsel und Interaktion, Biopolymerentwicklung und Mikroalgenproduktion, -vielfalt und -anwendung, z.B. bei der Biogasproduktion, bietet die Möglichkeit, in kurzer Zeit eine erste Basis zu schaffen, von der aus eine direkte Verbindung zur Grundlagenforschung und der Prozessgestaltung von Biomasse- oder nährstoffhaltigen Produktionsströmen erfolgen kann. Zudem besteht ein direkter Bezug zur bioökonomischen Nutzung von Mikroorganismen.

Die Projekttagung zu BiohyreP findet am 27.11.2020 statt. Die Präsentation der Forschungsergebnisse und der Blick auf zukünftige Projekte findet mit den russischen Partnern und dem Forschungszentrum Jülich online statt. Wir freuen uns auf den Austausch mit der Moskauer Universität und dem Kurchatov-Institut.

English project description:

In recent years, microalgae have emerged as a beneficial alternative system for biological wastewater treatment especially phosphate and nitrogen recovery. The biomass is produced during the wastewater treatment process at the same time, which could be used to produce high quality chemicals (algal metabolites), biogas through anaerobic fermentation and other bioproducts such as bio-fertilisers, animal feed etc. In contrast, the conventional methods such as chemical precipitation of phosphorus with CaCl2 or Al compounds are widely used in wastewater treatment. However, the phosphate from chemically precipitated sludge is often poorly bioavailable and usually ends up in landfills. On the other hand, the process using microalgae has not yet been extensively researched and is technologically backward and has a limited performance as per the available state of the art. The vast majority of studies to date have been conducted on free-living cells of microalgae, but not on the cells embedded in biofilm matrix.

The project, BioHyReP, is a bilateral German and Russian cooperative project. Within the scope of this project on German side, the efficiency of nutrient recovery, in particular of phosphorus, by a mixed culture of microalgae and bacteria using a biopolymer matrix (Algae Turf Scrubber) will be investigated. The biopolymer matrix with mixed culture is set up on an integrated wastewater plant at pilot scale, where biomass production will also take place in parallel. The pilot plant is operated at Forschungszentrum Jülich, an associate partner on the German side.  In addition, molecular diagnostics such as such as microscopic analyses like FISH and real-time PCR (rtPCR) will be carried out to investigate the interactions between microalgae and other microorganisms involved during phosphorus recovery and biomass production. During the second half of the project, a biorefinery concept will be developed and the algal biomass produced during phosphorus recovery from wastewater will be further tested as a co-substrate to determine its biogas potential.

The aim of this project is to establish an advanced study through bilateral DE-RUS cooperation on biosequestration of phosphorus by complex biofilm communities of algae and bacteria and their enrichment. We intend to use the innovative approach at the interface between the rapidly developing field of synthetic ecology and the development of biohybrid materials, in order to pave the way for implementation of a biorefinery-based process, thereby utilizing the nutrients from wastewater and the waste carbon dioxide towards biogas and bio-fertiliser production. The combination of expertise in the areas of microbial metabolism and interaction, biopolymer development and microalgae production, diversity and application, e.g. in biogas production, offers the possibility to create an initial basis in a short period of time from which a direct link can be established to basic research and process design of biomass or nutrient-containing production streams. Therefore, it is a direct path towards bio-economic use of microorganisms.

The project meeting on BiohyreP will take place on 27.11.2020. The presentation of the research results and a look at future projects will take place online with the Russian partners and Forschungszentrum Jülich. We are looking forward to the exchange with the Moscow University and the Kurchatov Institute.