Мир сталкивается с беспрецедентными вызовами, связанными с энергетическим кризисом и изменением климата.
Интенсификация производства возобновляемой энергии, с особым акцентом на экологически чистый биогаз и биометан, является сегодня одной из передовых тем для обсуждения. Биогаз/биометан будет играть важную роль в переходе к климатически нейтральной и безопасной энергетической системе. Обеспечение производства биометана из органических отходов/сточных вод необходимо для поддержки цикличности и стабильности. Масштабирование производства биометана и обеспечение его экономической конкурентоспособности являются ключевыми задачами на сегодняшний день.
Производство биогаза происходит в природных и инженерных средах, таких как анаэробные биореакторы, и включает в себя каскад реакций, катализируемых сложными микробными сообществами. Чтобы раскрыть и увеличить потенциал производства биометана на основе отходов, необходимо оптимизировать биопроцесс, что требует глубоких знаний о микробном разнообразии и физиологии, а также о сложных микробных взаимодействиях и метаболических сетях, происходящих в биогазовых процессах. Это послужило мотивом для данного обзора, который включает в себя шесть оригинальных научных статей 48 авторов, рассматривающих различные аспекты проблемы и использующих различные подходы, отражающие сложность данной проблемы.
Расширение ассортимента биомассы для производства биометана в настоящее время является приоритетной задачей. Особое внимание уделяется лигноцеллюлозным сельскохозяйственным отходам, однако их рекальцифицирующая структура создает значительные трудности для микробной деградации. Усовершенствование этапа гидролиза позволит расширить возможности использования этого сырья для устойчивого производства биометана.
Jensen et al. изучали микробные сообщества, участвующие в деградации богатой лигноцеллюлозой пшеничной соломы в реакторах с непрерывным перемешиванием. Профили активности целлюлазы и ксиланазы были соотнесены с изменениями в составе микробного сообщества. Результаты показали наличие реактороспецифической адаптации различных (мезофильных и термофильных) инокулятов, а представители групп Ruminiclostridium, Caldicoprobacter, Ruminofilibacter, Ruminococcaceae, Treponema и Clostridia были идентифицированы как ключевые виды в деградации лигноцеллюлозы. Разработанный корреляционный метод является перспективным подходом для идентификации потенциальных целлюлолитических и ксиланолитических микроорганизмов при анаэробном сбраживании (AС) лигноцеллюлозной биомассы.
В процессе деградации лигноцеллюлозы ароматические соединения, такие как фениловые кислоты (ФК), могут накапливаться при АС, что приводит к последствиям, которые еще не до конца изучены. В исследовательской работе Prem et al. было изучено влияние трех различных ФК, отдельно или в смеси, при термофильном AС. Были протестированы различные субстраты, направленные на различные стадии АС/микроорганизмы:
(i) микрокристаллическая целлюлоза (МЦ), вовлекающая все типичные группы микроорганизмов АС;
(ii) бутират и пропионат для изучения синтрофной связи ацетогенов с метаногенами, и
(iii) ацетат, направленный на синтрофные ацетатные окислители и/или ацетокластические метаногены.
Более высокое количество внеклеточных полимерных веществ (EPS) было произведено в экспериментах с МЦ, что указывает на то, что EPS работают как защитные агенты против токсичности ФК. Более того, ацетокластический метаногенез преобладал в анализах с пропионатом и бутиратом без ФК, но был подавлен в присутствии ФК.
Разработка и тестирование устойчивых и экономически эффективных стратегий, направленных на повышение эффективности, важна для улучшения преобразования более трудно поддающихся переработке органических отходов в энергию. Saba et al. успешно повысили производство биогаза из куриных перьев (КП) путем предварительной обработки кератиназой, выделяемой Pseudomonas aeruginosa, и совместного сбраживания с рисовой шелухой или зелеными бахчевыми отходами (ЗБО). Предварительная обработка КП проводилась для разрушения их рекальцитантной структуры и содействия гидролизу, а совместное сбраживание было направлено на снижение ингибирования аммиака. Предварительная обработка КП с последующим совместным сбраживанием с рисовой шелухой увеличила выход биогаза на 34%. Непрерывное AС предварительно обработанных КП и ЗБО повысил стабильность процесса и снизил токсичность аммиака, что привело к более высокому производству биогаза по сравнению с моноразложением предварительно обработанных КП.
Помимо биогаза, среднецепочечные карбоксилаты (СЦК) могут производиться с помощью открытых культур в биореакторах, представляя высокую экономическую ценность и широту применения в химической промышленности. Работа биореакторов при слабокислых значениях рН облегчает извлечение СЦК, однако было выделено лишь несколько бактерий, способных производить СЦК при таких значениях рН.
Esquivel-Elizondo et al. выделили бактерию, удлиняющую цепи, которая растет при слабокислом pH и в основном производит n-капроат из углеводов. Изолят был отнесен к роду Caproiciproducens. Авторы исследовали весь геном этого изолята и изучили гены обратного β-окисления, чтобы получить дальнейшее представление о его метаболизме. Также обсуждается потенциальное применение этой новой бактерии в биореакторах, предназначенных для производства СЦК из органических отходов.
Биоаугментация - еще одна стратегия, которая часто применяется для повышения эффективности систем АС, но ее результат не всегда легко предсказать. Для выяснения механизмов биоаугментации анаэробных гранул Doloman et al. разработали вычислительную модель, которая наглядно демонстрирует пространственную стратификацию различных групп бактерий и архей, а также распределение продуктов метаболизма. В качестве примера была выбрана биоаугментация гранул, разлагающих целлобиозу, бактериями, разлагающими олеат, для имитации перехода на богатый липидами корм, и результаты наглядно демонстрируют важность специфической субстратной ниши и влияние вымывания на результат биоаугментации. Предложенная модель является полезным инструментом для прогнозирования последствий биоаугментации анаэробных гранул в случае перехода на новый тип кормов.
Микробная синтрофия играет ключевую роль в анаэробном расщеплении органических соединений до метана. Были идентифицированы основные ферменты, участвующие в деградации жирных кислот путем β-окисления, но все еще остаются вопросы о субстратной специфичности и регуляции генов паралогов. Fu et al. использовали протеомику на основе масс-спектрометрии для характеристики и сравнения профилей ациломов двух подвидов Syntrophomonas wolfei, выращенных на различных источниках углерода. Были обнаружены обширные изменения в типах ацилирования, количестве и сайтах модификации, что указывает на то, что ацилирование белков реактивными ацил-коэнзимными видами, образующимися в процессе метаболизма жирных кислот, может быть важным посттрансляционным регуляторным механизмом синтрофии.
В целом, данный обзор рассматривает как прикладные, так и фундаментальные аспекты анаэробных микробных сообществ, участвующих в биогазовых процессах, подчеркивая важность ключевых микробных игроков и решающих микробных взаимодействий для производительности и стабильности этих систем. Мы надеемся, что этот обзор вдохновит будущие работы, преследующие цели создания устойчивых высокоэффективных биоэнергетических систем АС на основе отходов.
