Einführung in die Biotechnik: Kapitel 3 – Graue Biotechnologie

Lernkarteikarten zur Vorlesung Einführung in die Biotechnik, Kapitel 3: Graue Biotechnologie (Abwassertechnologie, Biogas und Umweltmikrobiologie) an der Universität Stuttgart.

Welche Anwendungsbereiche werden der Grauen, Weißen und Roten Biotechnologie in der Vorlesung zugeordnet?

Graue BT: Umwelttechnik (Abwasser, Bioplastik, Feinstaubabbau); Weiße BT: Industrielle BT und Bioökonomie (Bioethanol, Biogas, Bioraffinerie, Bioleaching); Rote BT: Gesundheit und Medizin (Impfstoffe, Antikörpertechnologie, Antibiotikaproduktion).

Welche bedeutenden Krankheitserreger entdeckte Robert Koch (Nobelpreis 1905)?

Robert Koch entdeckte die Erreger von Cholera (Vibrio cholerae), Tuberkulose (Mycobacterium tuberculosis) und Milzbrand (Bacillus anthracis).

Welche bakteriellen Erreger sind für Typhus und Wundstarrkrampf (Tetanus) verantwortlich?

Typhus wird durch Salmonella typhi verursacht und Wundstarrkrampf (Tetanus) durch Clostridium tetani.

Wie setzt sich typisches kommunales Abwasser zusammen und wie hoch sind die durchschnittlichen Reinigungskosten?

Abwasser besteht zu etwa $99\,\%$ aus Wasser und zu $1\,\%$ aus Schmutzstoffen (gelöst, ungelöst sowie Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate). Die Reinigungskosten liegen bei ca. $4\text{ €}$ pro Kubikmeter ($\text{m}^3$).

Welche Abwassermenge produzieren die weltweit $1{,}4\text{ Milliarden}$ Rinder im Vergleich zur Bevölkerung?

Sie produzieren weltweit etwa so viel Abwasser wie $22\text{ Milliarden}$ Menschen.

Wie unterteilt sich häusliches Schmutzwasser in Grauwasser und Schwarzwasser?

Grauwasser macht etwa $70\,\%$ aus und stammt aus Küche und Bad. Schwarzwasser macht etwa $30\,\%$ aus, stammt aus dem WC und besteht aus Spülwasser, Urin und Fäzes.

Welche biologischen Schichten bilden sich von oben nach unten in einer Tropfkörperanlage zur Abwasserreinigung aus?

1. Zone der grünen Algen (phototroph)
2. Zone der Bakterien und Bakterienfresser (heterotroph: Konsumenten, Destruenten)
3. Zone der Räuber

Welche Mikroorganismen sind typischerweise am aeroben Schadstoffabbau im Belebtschlammbecken beteiligt?

Unter anderem Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pseudomonas putida, Streptomyces spec. und Streptococcus spec.

Wie lautet die Reaktionsgleichung für die aerobe Veratmung von Methanol durch heterotrophe Organismen?

$$\text{CH}_3\text{OH} + 1{,}5\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$$

Wie unterscheidet sich die energetische ATP-Ausbeute zwischen reiner Glykolyse und vollständiger aerober Glukoseoxidation?

In der Glykolyse entstehen netto $2\text{ ATP}$, während bei der vollständigen aeroben Veratmung (Glykolyse, Citratcyclus und Endoxidation) insgesamt $36\text{ ATP}$ gewonnen werden.

Wie wirkt sich die Verweilzeit im aeroben Belebtschlammbecken auf den Abbau von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen aus?

Bei geringer Verweilzeit findet nur der Kohlenstoffabbau statt ($\text{C}_n \rightarrow \text{CO}_2$) und Ammonium ($\text{NH}_4^+$) bleibt unverändert. Bei längerer Verweilzeit findet zusätzlich die Nitrifikation ($\text{NH}_4^+ \rightarrow \text{NO}_3^-$) statt.

Welche beiden Bakteriengruppen führen die Nitrifikation durch und welche Reaktionen katalysieren sie?

1. Nitrosomas oxidiert Ammonium zu Nitrit: $\text{NH}_4^+ + \text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_2^-$
2. Nitrobacter oxidiert Nitrit weiter zu Nitrat: $\text{NO}_2^- + \text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_3^-$

Was versteht man unter Denitrifikation in Kläranlagen und welches Gas wird dabei freigesetzt?

Die Denitrifikation ist eine anaerobe Respiration (Nitrat-Atmung), bei der Bakterien wie Paracoccus denitrificans Nitrat ($\text{NO}_3^-$) zu elementarem Stickstoff ($\text{N}_2$) reduzieren.

Welche biotechnologische Lösung entwickelte das iGEM Team Stuttgart 2020 für das Problem von Medikamentenrückständen im Abwasser?

Den biologischen Abbau von Diclofenac (einem Schmerzmittel aus der Gruppe der nicht-steroidalen Antirheumatika/NSAR) mithilfe von technischen Enzymen (Laccasen).

Welche Mengen an Methan ($\text{CH}_4$) werden von einem einzelnen Rind und von Termiten emittiert?

Ein Rind emittiert täglich $100\text{–}200\text{ L Methan}$. Termiten produzieren schätzungsweise $2\text{ bis }22\text{ Tg Methan}$ pro Jahr und stellen die zweitgrößte natürliche Methanquelle dar.

Welche vier biologischen Stufen laufen beim anaeroben Abbau organischer Polymere zu Biogas (Methan) ab?

1. Hydrolyse (Polymere zu Monomeren durch cellulolytische Bakterien)
2. Gärungen / Versäuerungsphase (Bildung von $\text{H}_2 + \text{CO}_2$, Acetat, Propionat, Butyrat)
3. Acetogene Phase (Umwandlung von Propionat/Butyrat zu Acetat und $\text{H}_2 + \text{CO}_2$)
4. Methanbildung / Methanogenese (Bildung von $\text{CH}_4$ aus Acetat oder $\text{H}_2 + \text{CO}_2$)

Welche zwei Haupttypen chemolithoautotropher Carbonat-Atmer existieren bei der anaeroben Biogasbildung?

1. Methanogene (Methanobacterium thermoautotrophicum): reduzieren $\text{CO}_2$ mit $\text{H}_2$ zu $\text{CH}_4$
2. Acetogene (Acetobacterium woodii): reduzieren $\text{CO}_2$ mit $\text{H}_2$ zu Essigsäure ($\text{CH}_3\text{-COOH}$)

Welche ökonomischen Kennzahlen ergab der SuperPro Designer Report für die kommunale Abwasserreinigung (Preisbasis 2013)?

• Gesamtkapitalinvestition: $93.063.000\text{ \$}$
• Betriebskosten: $18.677.000\text{ \$/Jahr}$
• Bruttomarge: $37{,}71\,\%$
• Kapitalrendite (ROI): $16{,}32\,\%$
• Amortisationszeit (Payback Time): $6{,}13\text{ Jahre}$

Wie viele Biogasanlagen mit welcher elektrischen Leistung waren zum 31.12.2024 in Baden-Württemberg registriert?

Es waren $1.036\text{ Anlagen}$ mit einer arbeitsrelevanten elektrischen Leistung von $349\text{ kW}$ registriert.

Welchen Anteil hatten erneuerbare Energien und Biogas an der Stromeinspeisung im deutschen Strommix des 1. Halbjahres 2026?

Der Anteil der erneuerbaren Energien an der Netzeinspeisung lag bei $59{,}1\,\%$ (gesamte Erzeugung: $61{,}8\,\%$), wovon Biogas einen Anteil von $5{,}8\,\%$ ($13{,}4\text{ Mrd. kWh}$) beisteuerte.