Anaerobic digestion of Green Willow Biomass, a novel lignocellulosic substrate, and the evaluation of H2-induced stress in anaerobic bioreactors by genome-resolved metatranscriptomics

Kakuk Balázs
Anaerobic digestion of Green Willow Biomass, a novel lignocellulosic substrate, and the evaluation of H2-induced stress in anaerobic bioreactors by genome-resolved metatranscriptomics.
[Thesis]

[thumbnail of 2022 04 13 Thesis KB.pdf]
Preview
PDF (disszertáció)
Download (3MB) | Preview
[thumbnail of 2022 02 23 Thesis Booklet KB.pdf] PDF (tézis)
Download (631kB)

Abstract in Hungarian

Az emberiség Földünknek és a bioszférának egyre nagyobb és egyre inkább visszafordíthatatlan károkat okozott. Ennek egyik oka a folyamatosan növekedő energiaigényünk, hiszen kielégítésére leginkább fosszilis energiahordozókat égetünk el, azonban ezáltal üvegházhatású gázok és különböző károsanyagok szabadulnak fel, jutnak környezetünkbe. A megújuló energiák használata részben megoldást nyújthat, ám szükség van ezen technológiák továbbfejlesztésére, hogy versenyezni tudjanak a fosszilis energiákkal. A biomassza az egyik legnagyobb mértékben hozzáférhető energiaforrás, melyből számos energiahordozó állítható elő. Az egyik legszélesebb körben felhasználható ezek közül a biogáz, amely a biomassza levegőmentes bomlása (anaerob fermentáció) során keletkező, metánt és szén-dioxidot tartalmazó gázelegy. A biogáz előállítása rendkívül sokféle alapanyagból, vagyis szubsztrátból lehetséges, mint pl. szennyvíziszap, mezőgazdasági és élelmiszeripari melléktermékek, sertés- vagy marhatrágya, illetve a leggyakrabban használt energianövények. A technológia másik előnye, hogy maga a termék is, tehát a biogáz, különböző módokon felhasználható: elégethető gázmotorokban elektromosság előállítására, felhasználható otthonok fűtésére vagy a közlekedésben. Legnagyobb potenciáljának kihasználására akkor nyílik alkalom, ha adekvát tisztítás által biometánt állítunk elő belőle, amely a földgázzal ekvivalens, így lehetséges a földgázhálózatba betáplálni, bár ez Magyarországon még csak 1 esetben valósult meg. Doktori disszertációm során a biogáztermelés két központi problémájának megoldásához szerettem volna hozzájárulni: 1.) Jelenleg a biogáztermelés leginkább tradicionális energianövények (kukorica, szója) felhasználásával valósul meg, ám egyre inkább nő az igény olyan potenciális alapanyagok iránt, amelyek termesztését meg lehet valósítani marginális területeken, ezáltal nem kerülnek összetűzésbe élelmezési célokra termesztett növényekkel (pl. búza, kukorica). Ilyen lignocellulóz-alapú szubsztrát lehet a rövid-vetésfordulójú energiafűz (RVF-EF) is. Az RVF-EF-et azonban eddig csak biomassza-erőművekben történő égetés céljából termesztették; a belőle történő biogáz-előállításra ugyan volt már példa a szakirodalomban, de csak a magas lignocellulóz-tartalom miatt szükséges előkezelések elvégzése után volt alkalmas erre a célra. Az általam javasolt rendszerben az eddigiekkel ellentétben az RVF-EF fiatalon, még zöld állapotában kerül begyűjtésre, hogy a nagymennyiségű levél-biomassza is felhasználásra kerüljön. Az így kapott biomasszát Zöld Fűz Biomasszának (ZFB-nek) neveztem el. A disszertációm első fő részében megvizsgáltam ezen rendszer használatának lehetőségét. 2.) A biometán előállításának potenciális lehetőségét egy in situ biológiai biogázjavítással kapcsolt power-to-gas (P2G, „áram → gáz”) rendszerben, ahol az egyéb megújuló forrásokból termelt fel nem használt elektromos energiából első lépésben H2 előállítása történik meg (víz elektrolízis segítségével), majd az ez kerül betáplálásra az utófermentációs tartályba, vagy akár közvetlenül fermentációs egységekbe. Ez az ún. power-to-biomethane (P2bioCH4, „áram → biometán”) koncepció, amelyben a H2 központi szerepet játszik, azonban annak a biogáztermelő mikroközösségre gyakorolt rövidtávú hatását még nem vizsgálták. Dolgozatom második felében ezért ezt a hatást vizsgáltam meg genom-centrikus metatranszkriptomikai módszer segítségével. A ZFB vizsgálatának során egy kisméretű, 100 növényből álló kísérleti ültetvény biomasszáját használtam fel. A kísérleti populáció 2 genotípusú növényből állt, a betakarítást 4 alkalommal végeztem el. Megmértem a szárak és a levelek mennyiségét, biometán hozamukra illesztett növekedési modell paramétereit (K=teljes metánhozam, µmax=maximális metántermelési ráta) szakaszos üzemű anaerob reaktorokban. Az összehasonlításból megállapítottam, hogy a legoptimálisabb modell paramétereket a júniusi betakarítás mutatta, valamint, hogy mindkét genotípus alkalmas lehet biogáz fermentorokban történő felhasználásra, valamint, hogy a levélrész jelentősen magasabb µmax értékeknek köszönhetően gyorsabban degradálódik a szárnál, ami különösen előnyös folyamatos üzemű fermentációk esetében. Amennyiben számításba vesszük a biomasszahozamokat is megállapítható, hogy egy késő augusztusi-kora szeptemberi betakarítás lenne a legelőnyösebb, hiszen az ültetvény ilyenkor mutatja a legmagasabb energiapotenciált (amelyet a metánhozam és a biomasszahozam összeszorzásából kaphatunk meg). Ezek az értékek megközelítik, sőt potenciálisan meg is haladhatják a silókukorica értékeit (amennyiben azt szintén biogáz-előállításra használnánk), valamint a fás fűz értékeit, amennyiben az a tradicionális módon biomassza-égetőkben kerülne felhasználásra. Mindezek arra mutatnak, hogy az energiafűz egyéb előnyei mellett, melyeket más energianövényekkel szemben mutat, a ZFB felhasználása biogázüzemekben egy igen gazdaságos megoldás lehet. Dolgozatom második felében megvizsgáltam az anaerob r

Abstract in foreign language

The harmful impact of humanity on the Earth system includes the increasing rate of species extinction, deforestation, climate change, environmental pollution and overpopulation. One central issue is the increasing global energy demand, which is still met with 80% by fossil fuels. The burning of these contributes to many of the beforementioned global issues, as they produce green-house-gases (GHG) and pollutants. Fortunately, reducing their share is the target of several international treaties. Renewable energies provide an alternative to this, but their combined usage is required to provide effective GHG-mitigation. Biomass is a ubiquitous renewable energy source that can be harnessed in many ways. Because its many advantages, one very promising technology for alternative energy generation from biomass is the anaerobic digestion process (AD). In the context of climate change, the generation of biogas as a form of renewable energy has become popular and was intensively examined over the last few decades. In the course of my doctoral work, I aimed to contribute to the following two major challenges that biogas industry faces: 1.) To find novel substrates that have high biogas production potential, yet cheap to produce and do not come into contradiction with the food vs feed debate, as traditional substrates, such as maize do. Willow biomass may be a promising choice, since producing it has many advantages, including low production costs and the possibility of growing it on marginal lands, but the high amounts of lignin in the woody biomass hindered its usage as a substrate for biogas generation until now. To this end, I utilized a novel lignocellulosic biogas substrate: the young shrubs of the short-rotation coppice willow (Salix spp.), which I termed Green Willow Biomass (GWB). 2.) The coupling of other renewable sources, such as photovoltaics and wind energy, with biogas to harness their excess energy produced when the energy consumption rate is lower than its generation. This can be achieved with a process called a power-to-methane (P2bioCH4), wherein the excess energy is used to generate H2 via water electrolysis, which in turn is fed to an anaerobic digester to increase the methane concentration of the produced biogas. To better understand this in situ biological biogas upgrading process (BBU), I investigated the near-immediate effects of hydrogen-addition on the biogas producing microbial community via a metatranscriptomic approach. Within the first part of my research, I analyzed the fermentation efficiency of GWB, based on parameters, such as maximal methane yields (K) and highest methane production rates (µmax). This showed that both the commercial willow genotype (EN) and the novel tetraploid variant (PP) can be viable alternative AD feedstocks. Perhaps even more so when considering CSTR fermentations and industrial-scales operations because the GWB’s higher µmax values, compared to woody willow (WWB). In addition to the laboratory experiments, I estimated the biomass yields (t/ha) based on a small-scale field experiment to compare the energy potential of GWB with other feedstocks. When considering biomass yields, GWB can be an even more promising choice, as the extractable energy potential (GJ/ha) in the August harvests of GWB almost reached and in an estimated September harvest, it can potentially surpass the corresponding yields of either maize silage or combusted woody willow. Many of these advantages come from the presence (or rather, high amounts) of leaf biomass. Therefore, my thesis provides substantial support to promote and recommend green willow biomass as valuable feedstock for biomethanation. Within the course of the second part of my thesis, I examined the early response of the biogas-producing microbial community to the presence of saturating amount of H2. I used a combined metagenomic and metatranscriptomic analysis to determine the changes of the expression levels of the various genes of the metagenome-assembled genomes (MAGs), with a focus to those related to methanogenesis. My results showed that the microbial community (both the Archaea and many Bacteria) responded practically instantaneously (2 hours after the induced H2) to the changed environment. The activity of pluripotential methanogens, mainly Methanosarcina MAGs, reduced significantly, while the hydrogenotrophic Methanobacter MAGs increased. Many MAGs were unique to my samples, but these were not always just side-players, rather several of them are abundant, main-players of the community. Thus, it seems that specific microbes proliferate in the samples, which is likely the case in ultimately any AD environment. This thorough analysis of the differences between the H2-treated metatranscriptomes and corresponding controls identified the early events in the microbial communities brought about by the H2 addition, contributing to our understanding of the BBU mechanism in a P2bioCH4 system.

Item Type: Thesis (Doktori értekezés)
Creators: Kakuk Balázs
Subjects: 01. Natural sciences > 01.06. Biological sciences > 01.06.01. Cell biology, microbiology > 01.06.01.01. Microbiology
01. Natural sciences > 01.06. Biological sciences > 01.06.04. Biochemical research methods > 01.06.04.01. Environmental biotechnology, bioremediation, biodegradation
Divisions: Doctoral School of Environmental Sciences
Tudományterület / tudományág: Natural Sciences > Biology
Nyelv: English
Date: 2022. July 26.
Item ID: 11268
Date Deposited: 2022. May. 02. 09:57
Last Modified: 2022. Aug. 04. 08:22
Depository no.: B 6980
URI: https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11268
Defence/Citable status: Not Defended. (Do not cite until it has not assigned DOI number!)

Actions (login required)

View Item View Item