1. Die Chemie des Eisens im anaeroben Milieu

1.1 Eisen als essenzielles Spurenelement

Eisen (Fe) ist ein zentraler Bestandteil von Enzymen und Elektronentransportketten in methanogenen Archaeen und hydrolytischen Bakterien. Es aktiviert Schlüsselprozesse wie:

• Hydrolyse und Acidogenese: Eisenabhängige Enzyme (z.B. Hydrogenasen) spalten organische Polymere.

• Methanogenese: Cytochrome in Methanobakterien nutzen Fe³⁺ als Elektronenakzeptor.

Studienbeispiel

Eine Übersichtsarbeit von Mand und Metcalf (2019) beleuchtet die Energiegewinnung und die Funktion von Hydrogenasen in methanogenen Archaeen, insbesondere der Gattung Methanosarcina. Die Autoren heben die zentrale Rolle von Enzymen wie Hydrogenasen hervor, die Protonen und Elektronen zu molekularem Wasserstoff umwandeln und somit eine Schlüsselposition im Methanogenese-Prozess einnehmen. Eisen ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Enzyme und beeinflusst deren Funktion maßgeblich. 

Zusätzlich betont eine Übersichtsarbeit von De Vrieze et al. (2012) die Bedeutung von Methanosarcina-Arten in anaeroben Vergärungssystemen. Diese Organismen zeichnen sich durch ihre Robustheit gegenüber verschiedenen Umweltfaktoren aus, einschließlich hoher Ammonium- und Salzkonzentrationen sowie pH-Schwankungen. Obwohl diese Studie nicht direkt den Einfluss von Fe²⁺-Ionen untersucht, unterstreicht sie die Anpassungsfähigkeit von Methanosarcina-Arten an unterschiedliche Bedingungen. 

Diese Studien bieten wertvolle Einblicke in die Bedeutung von Eisen für die Funktion und Aktivität methanogener Archaeen, insbesondere der Gattung Methanosarcina.

1.2 Eisen und Schwefel: Eine toxische Beziehung

Schwefelwasserstoff (H₂S) entsteht durch sulfatreduzierende Bakterien (SRB) und hemmt Methanogene. Eisen reagiert mit H₂S zu unlöslichem Eisensulfid (FeS):

$${\text{Fe}}^{2+}+{\text{H}}_2\text{S}\to \text{FeS}\downarrow +2{\text{H}}^{+}$$

Dadurch sinkt die H₂S-Konzentration im Gas von oft >1.000 ppm auf <200 ppm – kritisch für Gasmotoren.

2. Praktische Anwendungen: Wie Eisen die Biogasanlage optimiert

2.1 Reduktion von Schwefelwasserstoff

• Optimaler Fe/S-Verhältnis: 1,5:1 bis 2:1 (z.B. bei 500 mg S/m³ → 750–1.000 mg Fe/m³ Substrat).

• Formen: FeCl₂ (hohe Löslichkeit) vs. Fe(OH)₃ (langsame Freisetzung).

Praxis-Tipp: Kontinuierliche Zugabe über Dosieranlage verhindert Überdosierung.

2.2 Steigerung der Methanausbeute

Eisen fördert die direkte interspezifische Elektronentransfer (DIET), bei der Bakterien Elektronen über Eisenoxide an Methanogene übertragen – effizienter als über Wasserstoff.

• Resultat: Bis zu 15% höhere CH₄-Produktion (Laborversuche der FH Hannover, 2021).

2.3 Prozessstabilisierung durch Pufferung

Fe²⁺ wirkt als pH-Puffer und bindet flüchtige Fettsäuren (VFA), die bei Überlastung entstehen.

$$\text{FeO}+2{\text{CH}}_3\text{COOH}\to {\text{Fe(CH}}_3{\text{COO)}}_2+{\text{H}}_2\text{O}$$