Biogáz termelő mikroorganizmus közösségek vizsgálata metagenomikai megközelítéssel

A biogáz fermentorban élő mikroba közösség ismeretének, illetve a közöttük kialakuló kapcsolatok feltérképezésének jelentős szerepe van a komplex mikrobiális folyamat megértésében és hatékonyabbá tételében. A metagenomikai módszerek olyan új megoldást nyújtanak, melynek segítségével betekintést nyerhetünk ilyen összetett életközösségek működésébe. Biogáz üzem szimulációs kísérletemben olyan paramétereket állítottunk be, melyek az ipari biogáz üzemeket tükrözik. A metagenom vizsgálathoz az Applied Biosystems SOLiD újgenerációs szekvenátorát használtam, melyet még nem alkalmaztak ilyen fajta közösségi vizsgálatokra. E módszer segítségével nagy mennyiségű és jó minőségű adatokat kaptam. A biogáz fermentorban rendezett, egymásra épülő mikrobiális rendszert tártam fel. Az adatok elemzése alapján a cellulóz tartalmú biomassza bontásában és másodlagos fermentációjábana Firmicutes és a Bacteroides törzsek tagjai játszanak fontos szerepet. A Firmicutes törzsön belül a Clostridia nemzetség tagjai vannak túlnyomó többségben, melyek cellulolitikus és gyakran hidrogén termelő tulajdonsággal rendelkeznek. Ezért szerepük a hatékony cellulózbontásban és hasznosításban valószínűleg jelentős. Az Archaea doménben a Methanomicrobiales rend képviselői voltak túlsúlyban, mely rendben a Methanoculleus marisnigri hidrogenotróf metanogén volt többségben. A metagenom vizsgálat eredményeit alátámasztják korábbi vizsgálatok is, melyeket újgenerációs 454 típusú szekvenátorral végeztek, így a metagenomikai módszerek ilyen komplex mikrobiális közösségek vizsgálatában reprodukálhatónak és validálhatónak bizonyultak A biogáz gyáraknak jelentős költséget jelent a kukorica szilázs előállítása, így az iparágnak szüksége van alternatív megoldásokra, melyeknél fontos szempont a hatékonyság megtartása is. Egy tipikus mikroalga faj fő összetevői között megtalálhatunk minden olyan komponenst, melyek kiváló tápanyagok a biogáz termelő mikroba közösség számára. A mikroalga biomasszát felhasználhatjuk közvetetten más célra hasznosítható anyagok kinyerése után, illetve közvetlenül biogáz fermentációra. A közvetett felhasználást vizsgáló fermentációban mikoralga keveréket és azok szintrófjait használtam fel biogáz előállításra. A vizsgálat alapján elmondható, hogy a mikroalga keverék alacsony C/N aránya miatt a biogáz mennyisége elmarad a kukorica szilázshoz képest, bár minősége jobb. A fermentáció két hónapig stabilan működött, a mikroalga fermentációja során annak magas N tartalma miattammónium növekedést tapasztaltam. A kofermentációban ez a hatás kompenzálódik. Ebből arra a következtetésre jutottam, hogy az alacsony C/N arányú mikroalgát kofermentációban érdemes fermentálni. A metagenom eredmények alapján a mikroalgával együtt bevitt szintróf organizmusok kiszorítják, illetve elfedik a fermentorban élő természetes közösséget. Az Archaea doménben a Methanosarcinales rend dominanciáját figyeltem meg a fermentáció teljes ideje alatt. A fotoautotróf módon tenyésztett Scenedesmus obliquus mikroalga faj magasabb C/N aránnyal rendelkezik, mint az előző kísérletben használt mikroalga keverék. Fermentációja során nem tapasztaltam jelentős ammóniumkoncentráció növekedést. A tiszta alga biomasszából keletkezett biogáz mennyisége körülbelül megegyezik a mikroalga keverékével, illetve a gáz összetétele is hasonló. A fermentációk a három hónapos működési idő alatt stabilan működtek. A Sc. obliquus vastag sejtfala miatt a fermentor mikrobái az alga biomasszát lassabban képesek bontani. Így annak ellenére, hogy nem történt már további biomassza bevitel az utolsó hónapban, mégis jelentős mennyiségű biogáz termelődött. Ennek alapján az ilyen típusú mikroalgák fermentációja során hosszabb retenciós idő alkalmazása látszik indokoltnak. A kofermentációból keletkező metán mennyisége az előző kísérlethez hasonlóan magasabb, mint a monoszubsztrátként adagolt mikroalgáé. Ezek az eredmények összefügghetnek a kofermentációban a szubsztrát adagolási időszakban tapasztalt Clostridiales rend relatív többségével, mely hatékonyan képes bontani a mikroalga biomasszát. A fermentáció teljes ideje alatt az Archaea doménben a Methanosarcinales rend dominanciáját figyeltem meg, mely a metánképződéshez vezető anyagcsere útvonalak sokféleségét támasztják alá. A dolgozatban bemutatott adatok szerint a metagenomikai módszerek biogáz termelő közösségek vizsgálatában reprodukálhatóak és validálhatóak. A biogáz iparban a kukorica szilázs kiváltására ígéretes jelölt a mikroalga biomassza, azonban annak fajtája és alkalmazási technológiája befolyásolja a hatékonyságot. A legelőnyösebb alkalmazási mód a kofermentáció