Biogáz termelő mikroorganizmus közösségek vizsgálata metagenomikai megközelítéssel

Wirth Roland
Biogáz termelő mikroorganizmus közösségek vizsgálata metagenomikai megközelítéssel.
Doktori értekezés, Szegedi Tudományegyetem.
(2014)

[img]
Előnézet
PDF (disszertáció)
Download (2MB) | Előnézet
[img]
Előnézet
PDF (tézis)
Download (133kB) | Előnézet
[img]
Előnézet
PDF (tézis)
Download (126kB) | Előnézet

Absztrakt (kivonat) idegen nyelven

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. Hasonló vizsgálatok a hagyományos mikrobiológiai módszerekkel kivitelezhetetlenek, ugyanis a biogáz termelő mikróbák, mikroba csoportok, csak más mikrobákkal együtt képesek a teljes mikrobiális táplálékláncot megvalósítani. A metagenomikában is limitáló tényező a különböző adatbankokban tárolt ismert mikroorganizmusokról rendelkezésre álló információ. Napjainkban a modern biogáz gyárak 80%-ban szubsztrátként kukorica szilázst használnak alapanyagként. Az ilyen típusú biogáz reaktorok mikroba közösségének ismerete elméleti és gyakorlati jelentőségű. Biogáz üzem szimulációs kísérletemben olyan paramétereket állítottunk be, melyek azipari 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 gyakranhidrogén termelő tulajdonsággalrendelkeznek.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. Egyre nagyobb az érdeklődés a napenergiát hasznosító mikroorganizmusok használata irányában. 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 hasznosíthanó 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 mennyiségűbiogáztermelődött. Ennek alapján az ilyen típusú mikroalgák fermentációja során hosszabb retenciós idő alkalmazásalátszik 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 Sc. obliquus vastag szénhidrát alapú hemicellulóz tartalmú sejtfallal rendelkezik. Az irodalomban többféle előkezelési technológiát ajánlanak mikroalgák feltárására különféle célból. Ezek közül a hőkezelést és a mikrohullámú kezelést alkalmaztam. Az eredmények alapján a mikrohullámmal, illetve autoklávval történő kezelés a leghatékonyabb. A mikroalga feltárása azonban nem volt teljes mértékben eredményes, mindkét kezelés során megfigyeltem épen maradt sejteket. A feltárt mikroalgák sejttartalmát a fermentor mikroba közössége gyorsan és hatékonyan képes felhasználni,így az első napokban keletkező gáz mennyisége és minősége is meghaladja az összehasonlításként alkalmazott silókukoricáét, de a hatás nem tart sokáig, mert miután a mikroba közösség felhasználta a könnyen hozzáférhető anyagokat az egészben maradt sejtek fermentációjára szorulnak.Az előkezelések hatékonysága batch fermentációban mérsékelt, ugyanis az egységnyi mikroalgára vonatkoztatott C/N arány és szervesanyag tartalom nem változik, csak a fermentorban élő mikrobák számára tesszük könnyebben hozzáférhetővé az értékes tápanyagokat. 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.

Mű típusa: Disszertáció (Doktori értekezés)
Doktori iskola: Biológia Doktori Iskola
Tudományterület / tudományág: természettudományok > biológiai tudományok
Magyar cím: Biogáz termelő mikroorganizmus közösségek vizsgálata metagenomikai megközelítéssel
Idegen nyelvű cím: Studies of biogas-producing microbial communities by methagenomics approach
Témavezető(k):
Témavezető neveBeosztás, tudományos fokozat, intézményEmail
Prof. Kovács L. Kornélegyetemi tanár, SZTE Biotechnológiai Tanszékkovacs.kornel@brc.mta.hu
Dr. Maróti GergelyTudományos munkatárs, MTA SZBKmarotig@baygen.hu
EPrint azonosító (ID): 2120
Publikációban használt név : Wirth Roland
A mû MTMT azonosítója: 2546184
doi: 10.14232/phd.2120
A feltöltés ideje: 2014. márc. 07. 09:44
Utolsó módosítás: 2015. jan. 14. 16:02
Egyebek (raktári szám): B 5676
URI: http://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/2120
Védés állapota: védett

Actions (login required)

Tétel nézet Tétel nézet