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Bestimmung der metabolischen Aktivität von Mikroorganismen während des Biogasbildungsprozesses
(2009)
"Biologie trifft Mikroelektronik", das Motto des Instituts für Nano- und Biotechnologien (INB) an der FH Aachen, unterstreicht die zunehmende Bedeutung interdisziplinär geprägter Forschungsaktivitäten. Der thematische Zusammenschluss grundständiger Disziplinen, wie die Physik, Elektrotechnik, Chemie, Biologie sowie die Materialwissenschaften, lässt neue Forschungsgebiete entstehen, ein herausragendes Beispiel hierfür ist die Nanotechnologie: Hier werden neue Werkstoffe und Materialien entwickelt, einzelne Nanopartikel oder Moleküle und deren Wechselwirkung untersucht oder Schichtstrukturen im Nanometerbereich aufgebaut, die neue und vorher nicht bekannte Eigenschaften hervorbringen.
Vor diesem Hintergrund bündelt das im Jahre 2006 gegründete INB die an der FH Aachen vorhandenen Kompetenzen von derzeit insgesamt sieben Laboratorien auf den Gebieten der Halbleitertechnik und Nanoelektronik, Nanostrukturen und DNA-Sensorik, der Chemo- und Biosensorik, der Enzymtechnologie, der Mikrobiologie und Pflanzenbiotechnologie, der Zellkulturtechnik, sowie der Roten Biotechnologie synergetisch. In der Nano- und Biotechnologie steckt außergewöhnliches Potenzial! Nicht zuletzt deshalb stellen sich die Forscher der Herausforderung, in diesem Bereich gemeinsam zu forschen und Schnittstellen zu nutzen, um so bei der Gestaltung neuartiger Ideen und Produkte mitzuwirken, die zukünftig unser alltägliches Leben verändern werden.
Im Folgenden werden die verschiedenen Forschungsbereiche kurz zusammenfassend vorgestellt und vorhandene Interaktionen anhand von exemplarisch ausgewählten, aktuellen Forschungsprojekten skizziert.
Three amperometric biosensors have been developed for the detection of L-malic acid, fumaric acid, and L -aspartic acid, all based on the combination of a malate-specific dehydrogenase (MDH, EC 1.1.1.37) and diaphorase (DIA, EC 1.8.1.4). The stepwise expansion of the malate platform with the enzymes fumarate hydratase (FH, EC 4.2.1.2) and aspartate ammonia-lyase (ASPA, EC 4.3.1.1) resulted in multi-enzyme reaction cascades and, thus, augmentation of the substrate spectrum of the sensors. Electrochemical measurements were carried out in presence of the cofactor β-nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) and the redox mediator hexacyanoferrate (III) (HCFIII). The amperometric detection is mediated by oxidation of hexacyanoferrate (II) (HCFII) at an applied potential of + 0.3 V vs. Ag/AgCl. For each biosensor, optimum working conditions were defined by adjustment of cofactor concentrations, buffer pH, and immobilization procedure. Under these improved conditions, amperometric responses were linear up to 3.0 mM for L-malate and fumarate, respectively, with a corresponding sensitivity of 0.7 μA mM−1 (L-malate biosensor) and 0.4 μA mM−1 (fumarate biosensor). The L-aspartate detection system displayed a linear range of 1.0–10.0 mM with a sensitivity of 0.09 μA mM−1. The sensor characteristics suggest that the developed platform provides a promising method for the detection and differentiation of the three substrates.
Monitoring of organic acids (OA) and volatile fatty acids (VFA) is crucial for the control of anaerobic digestion. In case of unstable process conditions, an accumulation of these intermediates occurs. In the present work, two different enzyme-based biosensor arrays are combined and presented for facile electrochemical determination of several process-relevant analytes. Each biosensor utilizes a platinum sensor chip (14 × 14 mm²) with five individual working electrodes. The OA biosensor enables simultaneous measurement of ethanol, formate, d- and l-lactate, based on a bi-enzymatic detection principle. The second VFA biosensor provides an amperometric platform for quantification of acetate and propionate, mediated by oxidation of hydrogen peroxide. The cross-sensitivity of both biosensors toward potential interferents, typically present in fermentation samples, was investigated. The potential for practical application in complex media was successfully demonstrated in spiked sludge samples collected from three different biogas plants. Thereby, the results obtained by both of the biosensors were in good agreement to the applied reference measurements by photometry and gas chromatography, respectively. The proposed hybrid biosensor system was also used for long-term monitoring of a lab-scale biogas reactor (0.01 m³) for a period of 2 months. In combination with typically monitored parameters, such as gas quality, pH and FOS/TAC (volatile organic acids/total anorganic carbonate), the amperometric measurements of OA and VFA concentration could enhance the understanding of ongoing fermentation processes.