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Metagenomic analysis of microbial communities in anaerobic digestion
Lisa Bauer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Informatik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Bioinformatik
Betreuer*in
Thomas Rattei
DOI
10.25365/thesis.81573
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18423.60280.681461-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Anaerober Abbau kann verwendet werden, um aus verschiedenen Quellen erneuerbare Energie in Form von Biogas zu gewinnen und damit organische Abwässer oder Reststoffe zu valorisieren. Mikroorganismen bauen in einer anaeroben Umgebung organisches Material in mehreren Schritten zu Biogas, also größtenteils Methan und Kohlendioxid, ab. Die Mikroorganismen, die diesen Prozess durchführen, und deren komplexe Wechselwirkungen sind noch nicht vollständig erforscht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch die Verwendung molekularer Methoden wie amplikonbasierte Sequenzierung oder Metagenomik die mikrobielle Gemeinschaft in unterschiedlichen Biogasanlagen zu untersuchen und Einblicke in noch nicht erforschte Systeme zu vermitteln. Proben aus Biogasanlagen, die unterschiedliche Größen und Konfigurationen haben und unterschiedliche Substrate verwenden, werden durch auf Amplikonsequenzierung basierenden Methoden analysiert, um die Zusammensetzung ihrer mikrobiellen Gemeinschaften zu untersuchen. Die Eignung von drei Datenbanken für die taxonomische Klassifizierung wird bestimmt, bevor eine für die Erstellung von taxonomischen Profilen der Systeme verwendet wird. Die Ergebnisse werden durch einen öffentlich verfügbaren Datensatz kontextualisiert, um globale Muster in den taxonomischen Profilen von diversen Biogasanlagen zu finden. Ausgewählte Systeme werden durch einen metagenomischen Ansatz weiter untersucht. Metagenom-assemblierte Genome (MAGs) werden nach einer Long-Read-Sequenzierung gewonnen. Diese werden funktionell annotiert, um Informationen über ihre potenziellen Rollen in den untersuchten Systemen zu erhalten. Die auf Amplikonsequenzierung basierende Analyse der unterschiedlichen Biogasanlagen zeigte Muster in der Zusammensetzung der Gemeinschaften, sowie erste Einblicke in die potenziellen Rollen von Taxa. Amplicon Sequence Variants (ASVs) erwiesen sich als überwiegend systemspezifisch. Nach der Long-Read-Sequenzierung von Proben aus zwei Systemen, welche industrielles Abwasser behandeln, wurden 410 MAGs gewonnen. In einer funktionellen Analyse wurden Stoffwechselwege und Metabolite MAGs zugeordnet. Einige MAGs, die für die Herstellung von Acidogenese-Produkten zuständig sein könnten, konnten identifiziert werden und die Ergebnisse zeigten interessante potenzielle Interaktionen zwischen acetogenen und Sulphat-reduzierenden Bakterien und Methanogenen. Die Gene, welche die Enzyme für hydrogenotrophe und acetoklastische Methanogenese codieren, wurden in allen MAGs, welche als Archaea klassifiziert wurden, gefunden. Insgesamt gibt diese Arbeit Einblicke in die mikrobielle Gemeinschaft und ihre potenziellen Funktionen.
Abstract
(Englisch)
Anaerobic digestion can be used to obtain renewable energy in the form of biogas from various sources and thus, to valorise organic wastewaters or residues. Under anaerobic conditions, microorganisms break down organic matter in multiple steps to biogas, i.e. mainly methane and carbon dioxide. The microorganisms accomplishing this process and their complex interactions are not well understood yet. The aim of this thesis is to investigate the microbial community in various anaerobic digestion systems and to provide insights into understudied systems, using molecular methods such as amplicon-based sequencing and metagenomics. Samples from anaerobic digestion systems of various sizes, setups, and using a variety of substrates, are analysed by amplicon-sequencing based methods to investigate their microbial community composition. The suitability of three databases for taxonomic classification is evaluated before choosing one for taxonomic profiling of the systems. The results are contextualised with a publicly available dataset to find global patterns in the taxonomic profiles of diverse anaerobic digestion systems. Selected systems are further investigated by a metagenomic approach. Metagenome-assembled genomes (MAGs) are recovered after long-read sequencing. They are functionally annotated to obtain information about their potential roles in the investigated systems. The amplicon-sequencing based analysis of various anaerobic digestion systems revealed patterns in the community composition and first insights into the potential roles of taxa. Amplicon sequence variants (ASVs) were found to be predominantly system-specific. After long-read sequencing of samples from two systems treating industrial wastewater, 419 MAGs were obtained. In a functional analysis, pathways and metabolites were assigned to MAGs. A number of MAGs that could be responsible for the production of acidogenesis products could be identified and the results revealed interesting potential interactions between acetogenic and sulphate reducing bacteria and methanogens. The genes encoding enzymes for hydrogenotrophic and acetoclastic methanogenesis were found in all archaeal MAGs. Overall, this thesis provides insights into the microbial community and their potential functions.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Metagenomik Anaerober Abbau Biogas Mikrobielle Gemeinschaft Sequenzierung
Schlagwörter
(Englisch)
metagenomics anaerobic digestion biogas microbial community sequencing
Autor*innen
Lisa Bauer
Haupttitel (Englisch)
Metagenomic analysis of microbial communities in anaerobic digestion
Paralleltitel (Deutsch)
Metagenomische Analyse von mikrobiellen Gemeinschaften beim anaeroben Abbau
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
VIII, 88 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thomas Rattei
Klassifikationen
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,
58 Chemische Technik > 58.30 Biotechnologie
AC Nummer
AC17945541
Utheses ID
81553
Studienkennzahl
UA | 066 | 875 | |