MIKROBIOLOGIE A BIOCHEMIE ANAEROBNÍ FERMENTACE
Hydrolytické a acidogenní mikroorganismy - nejrychleji rostoucí a nejodolnější vůči změnám podmínek ! - první dva kroky anaerobního rozkladu, hydrolýzu a acidogenesi - exoenzymy, které jsou uvolňovány do média a hydrolyzují komplexní organické látky na menší molekuly, schopné transportu dovnitř buňky. Fermentací těchto látek tvoří řadu redukovaných produktů jako jsou nižší mastné kyseliny (hlavně kyselina máselná, propionová a octová), etanol, kyselina mléčná a pod. Zástupci hydrolytických a acidogenních mikroorganismů Převažující druhy patří do čeledě Streptococcaceae , Enterobacteriaceae a do rodů Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium Bifidobacterium a Lactobacillus – bakterie mléčného kvašení
Konečné produkty hydrolýzy a acidogenéze Závisí na - charakteru počátečního substrátu - na podmínkách prostředí (hlavně na H2 a pH) Při nízkém parciálním tlaku vodíku jsou jako hlavní produkty → kyselina octová, H2 a CO2 při vyšším parciálním tlaku vodíku se tvoří → organické kyseliny vyšší než octová, kyselina mléčná, etanol apod. Rychlost produkce metanu je často omezována rychlostí hydrolýzy dezintegrace
Enterobacter aerogenes fakultativní anaerob
Směsná kultura produkující vodík s vysokým zastoupení tyčinek Clostridium spp striktní anaerob (nevýhoda ‐ citlivost ke kyslíku)
Homoacetogenní mikroorganismy • mohou růst na víceuhlíkatých i jednouhlíkatých sustrátech a • disponují metabolismem s vysokou termodynamickou účinností, protože netvoří vodík. • některé druhy při růstu na oxidu uhličitém vodík spotřebovávají → syntrofní tvorba kyseliny octové • při malém množství vodíku v systému však nemohou konkurovat metanogenům, protože • k energetické výhodnosti reakce tvorby kyseliny octové z CO2 a H2 potřebují vyšší koncentraci vodíku Nejčastěji izolovány a identifikovány druhy homoacetogenních mikroorganismů Clostridium thermoaceticum Acetobacterium woodii. Butyribacterium methylotrophicum
Sulfátredukující a denitrifikační mikroorganismy - jsou schopny růst na víceuhlíkatých substrátech a s využitím síranů nebo dusičnanů jako akceptorů elektronů tvořit octovou kyselinu, vodík, sulfan a amoniak, tedy podporovat metanogenézi - mohou tyto substráty i spotřebovávat za použití stejných akceptorů elektronů a být konkurenty metanogenním baktériím - při vyšších koncentracích NO3- a SO42- může docházet k inhibici metanogenéze, protože energetická výtěžnost jejich reakcí je mnohem vyšší toxické působení vyšších koncentrací sulfidů na metanogeny Zástupci SRB – rody Desulfovibrio, Desulfotomaculum , Desulfobulbus
SRB tvoří dvě hlavní metabolické skupiny (a) oxidují substráty neúplně pouze na octovou (b) je schopná oxidovat substráty včetně octové až na CO2 • skupina SRB s neúplnou oxidací roste značně rychleji než skupina (b), generační doba je 3 - 4 hodiny • SRB ze skupiny s úplným rozkladem jsou schopny rozkládat např. dikarboxylové kyseliny, aromatické sloučeniny, stejně jako větvené mastné kyseliny rozkládají pomalu, generační doba bývá 20 hod. a více.
Role SRB v anaerobním ekosystému •
soutěžení SRB, acidogenních, acetogenních a methanogenních bakterií
•
redukce síranů je teoreticky dominantní
•
hydrogenotrofní SRB za dostatku síranů vytěsní hydrogenotrofní methanogeny
•
SRB využívající octovou rostou jen o trochu více než acetotrofní methanogeny, mají horší přilnavost k nosiči
•
v imobilizované biomase je octová rozkládána na CH4 a CO2 i v přebytku síranů
Sulfátredukující bakterie - SRB
Acetogenní mikroorganismy produkující vodík (syntrofní acetogeny) - jsou silně závislé na přítomnosti H2 v prostředí - vyšší koncentrace vodíku v systému posouvá rovnováhu jejich biochemické reakce opačným směrem Kyselina propionová → kyselina octová + H2 - 5,4 kJ ede-1 Kyselina máselná → kyselina octová + H2 - 2,4 kJ ede-1 - inhibuje jejich růst a metabolismus redukcí vnitrobuněčných elektronových přenašečů. - nutná stabilní metabolická společenství (syntrofní společenství) s jakýmikoli hydrogenotrofními mikroorganismy, které vodík spotřebovávají a tak zvyšují schůdnost a termodynamickou účinnost reakcí syntrofních acetogenů.
Příklady syntrofních acetogenů Syntrophobacter wollinii - acetogenní bakterie, rozkládající kyselinu propionovou na kyselinu octovou, CO2 a H2 Syntrophomonas wolfei - je schopen -oxidovat mastné kyseliny se sudým počtem uhlíků na kyselinu octovou a H2 nebo s lichým počtem uhlíků na kyseliny octovou a propionovou a H2 Syntrophus buswelii - rozkládá v syntrofii benzoovou kyselinu na konečné produkty – kyselinu octovou a H2
Anaerobní reaktor s kalovým mrakem - substrát syrovátka - průtok odpadní vody odspodu nahoru
Provoz při třech různých zatíženích
odběrová místa odebrané vzorky analyzovány na nižší mastné kyseliny
Produkce mastných kyselin v závislosti na zatížení
nízké zatížení - nízká koncentrace vodíku kyselina octová, propionová a máselná během průtoku spotřebovány
vyšší zatížení - zvýšená koncentrace vodíku hodně kyseliny octové a máselné, kyseliny propionové méně, objevují se i vyšší kyseliny, během průtoku mírný pokles nejvyšší zatížení - přetížení méně kyseliny octové a máselné, hodně kyseliny propionové, více kyseliny valerové a vyšších kyselin výrazné snížení účinnosti procesu výška reaktoru
Metanogenní bakterie zakončují metabolický řetězec anaerobního rozkladu organických látek převedením konečných produktů obsahujících uhlík do plynné fáze striktní anaerobové - vyžadují pro svůj růst velmi nízký redoxní potenciál – kolem - 330 mV - vyžadují mezofilní nebo termofilní teplotní podmínky (35 °C nebo 55 °C) Archaebacteria – nejstarší organismy na Zemi
Substrát
Druh organismu
H2
Methanobacterim bryantii, M. formicicum, M.thermoautotrophicum Methanobrevibacter arboriphilus, M. ruminantium, Methanococcus mazei, M. vannielii, M. voltae Methanospirillum hungatei Methanosarcina barkeri
HCOOH
M. formicicum, M. ruminantium, M. smithii,
CO
Methanosarcina barkeri, M. thermoautotrophicum
CH3OH
Methanosarcina mazei, Methanosarcina barkeri
CH3NH2, (CH3)2NH, (CH3)3N
Methanosarcina mazei, Methanosarcina barkeri
CH3COOH
M. mazei, M. barkeri, Methanothrix soehngenii
Hydrogenotrofní metanogeny
Acetotrofní (acetoklastické) metanogeny
Methanosarcina mazei Methanosarcina barkeri
Methanobacterium směs Methanosarciny a Methanosaety
Standardní rovnovážná Gibbsova energie reakcí tvorby metanu Reakce
G° kJ/mol
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O
-130,4
4 HCOO- + 4 H+ → CH4 + 2 H2O +3 CO2
-119,0
4 CO + 2 H2O → CH4 + 3 CO2
-186,0
CH3COO- + H+ → CH4 + CO2
-32,3
4 CH3OH → 3 CH4 + 2 H2O + CO2
-106,5
CH3OH + H2 → CH4 + H2O
-112,5
4 CH3NH2 + 2 H2O → 3 CH4 + 4 NH3 + CO2
-75,0
2 (CH3)2NH + 2 H2O → 3 CH4 + 2 NH3 + CO2
-74,0
4 (CH3)3N + 6 H2O → 9 CH4 + 4 NH3 + 3 CO2
-75,0
Hydrogenotrofní metanogen
Acetotrofní metanogen
Rozdílné energetické výtěžky reakcí mají vliv ‐ na rychlost produkce metanu ‐ na růstovou rychlost příslušných metanogenů Při růstu na octové kyselině je generační doba 2 až 10 dní, na vodíku s oxidem uhličitým 9 až 24 hodin
Mikrofotografie acetotrofní methanogenní bakterie v různých kulturách
Mikrofotografie hydrogenotrofní metanogenní bakterie
Reálný vzorek provozní anaerobní kultury
