CC BY
27
Естественные науки
Зиганшин А.М., Шмидт Т., Шольвин Ф., Кляйнштаубер С. Видовой состав сообществ архей в анаэробных биогазовых реакторах // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. -2011. - Т. 153, кн. 2. - С. 100-109.
УДК 579.851
ВИДОВОЙ СОСТАВ СООБЩЕСТВ АРХЕЙ В АНАЭРОБНЫХ БИОГАЗОВЫХ РЕАКТОРАХ
А.М. Зиганшин, Т. Шмидт, Ф. Шольвин, С. Кляйнштаубер
Аннотация
Разработан эффективный способ утилизации послеспиртовой барды в анаэробных условиях с получением биогаза и создано стабильное и высокоактивное по отношению к барде микробное сообщество. Внесение FeCl3 в один из биореакторов для осаждения токсичного H2S в нетоксичный сульфид железа сопровождалось более эффективной деструкцией барды, повышенным выходом биогаза и развитием разнообразного архей-ного сообщества. Так, средний выход биогаза в отсутствие FeCl3 составил 520 мл/г-оСВ с содержанием метана 63.0% (первый биореактор), тогда как в присутствии FeCl3 выход биогаза увеличился до 610 мл/г-оСВ с содержанием метана 62.3% (второй биореактор). ПЦР-амплификация, клонирование и секвенирование архейных генов 16S рРНК позволили нам обнаружить два и восемь филотипов в первом и во втором биореакторах соответственно. Все исследованные клоны были отнесены к некультивируемым формам микроорганизмов. Если в первом биореакторе доминировали два филотипа метаногенов, отнесенных к родам Methanoculleus и Methanosaeta, то во втором биореакторе микробное сообщество было представлено археями родов Methanoculleus, Methanospirillum, Methanosaeta, Methanosarcina, Methanomethylovorans, порядка Thermoplasmatales и класса Thermoprotei. По-видимому, повышенная концентрация H2S в первом биореакторе оказывала угнетающее действие на анаэробные микроорганизмы, что сопровождалось снижением видового разнообразия архей и низкой продукцией биогаза.
Ключевые слова: биогазовый реактор, продукция биогаза, послеспиртовая барда, метаногены, токсичность сероводорода, анализ генов 16S рРНК.
Summary
A.M. Ziganshin, T. Schmidt, F. Scholwin, S. Kleinsteuber. Archaeal Communities Composition in Anaerobic Biogas Reactors.
In the present work, we created an effective method for anaerobic degradation of distillers grains (DDGS) with biogas production and developed stable and active microbial communities utilizing distillers grains. The addition of FeCl3 into one bioreactor for precipitation of toxic H2S in the form of non-toxic iron sulfide resulted in more effective distillers grains destruction, higher biogas yield, and the development of diverse archaeal community. Thus, the average biogas production from the first digester (in the absence of FeCl3) was 520 ml/g-oTS with the methane content of 63.0%, whereas it increased up to 610 ml/g-oTS with the methane content of 62.3% in the case of the second digester (in the presence of FeCl3). PCR-amplifica-
tion, cloning, and sequencing of archaeal 16S rRNA genes allowed us to detect two and eight phylotypes in the first and second fermenters, respectively. All clones were assigned to uncultured forms of microorganisms. The first bioreactor was dominated by organisms related to Methanoculleus sp. and Methanosaeta sp., whereas archaea in the second bioreactor were represented by members of Methanoculleus sp., Methanospirillum sp., Methanosaeta sp., Methanosarcina sp., Methanomethylovorans sp., Thermoplasmatales, and Thermoprotei. The high concentration of H2S in the first bioreactor apparently inhibited anaerobic microorganisms, what resulted in lower archaeal diversity and lower amount of biogas production.
Key words: biogas reactor, production of biogas, distillers grains, methanogens, hydrogen sulfide toxicity, 16S rRNA genes analysis.
Литература
1. Huber G.W., Iborra S., Corma A. Synthesis of transportation fuels from biomass: chemistry, catalysts, and engineering // Chem. Rev. - 2006. - V. 106, No 9. - P. 4044-4098.
2. Antoni D., Zverlov V.V., Schwarz W.H. Biofuels from microbes // Appl. Microbiol. Biotechnol. - 2007. - V. 77, No 1. - P. 23-35.
3. Ilori M.O., Adebusoye S.A., Lawal A.K., Awotiwon O.A. Production of biogas from banana and plantain peels // Adv. Environ. Biol. - 2007. - V. 1, No 1. - P. 33-38.
4. Krause L., Diaz N.N., Edwards R.A., Gartemann K-H., Kromeke H. Taxonomic composition and gene content of a methane-producing microbial community isolated from a biogas reactor // J. Biotechnol. - 2008. - V. 136, No 1-2. - P. 91-101.
5. Goberna M., Insam H., Franke-Whittle I.H. Effect of biowaste sludge maturation on the diversity of thermophilic bacteria and archaea in an anaerobic reactor // Appl. Environ. Microbiol. - 2009. - V. 75, No 8. - P. 2566-2572.
6. Karakashev D., Batstone D.J., Angelidaki I. Influence of environmental conditions on methanogenic compositions in anaerobic biogas reactors // Appl. Environ. Microbiol. -2005. - V. 71, No 1. - P. 331-338.
7. Demirel B., Scherer P. The roles of acetotrophic and hydrogenotrophic methanogens during anaerobic conversion of biomass to methane: a review // Rev. Environ. Sci. Bio-technol. - 2008. - V. 7, No 2. - P. 173-190.
8. Talbot G., Topp E., Palin M.F., Masse D.I. Evaluation of molecular methods used for establishing the interactions and functions of microorganisms in anaerobic bioreactors // Water Res. - 2008. - V. 42, No 3. - P. 513-537.
9. Lee C., Kim J., Hwang K., O'Flaherty V., Hwang S. Quantitative analysis of methano-genic community dynamics in three anaerobic batch digesters treating different waste-waters // Water Res. - 2009. - V. 43, No 1. - P. 157-165.
10. Фадеева И.В., Атыкян Н.А., Ревин В.В. Отработка условий биоконверсии отходов спиртовой промышленности с помощью молочнокислых бактерий и базидиальных грибов // Вестн. Нижегор. ун-та. - 2009. - № 6 (1). - С. 113-119.
11. Kleinsteuber S., Riis V., Fetzer I., Harms H., Muller S. Population dynamics within a microbial consortium during growth on diesel fuel in saline environments // Appl. Environ. Microbiol. - 2006. - V. 72, No 5. - P. 3531-3542.
12. WPCF. Anaerobic sludge digestion. Manual of practice No 19. - Alexandria, VA, 1987.
13. Gerardi M.H. The microbiology of anaerobic digesters. - Hoboken, New Jersey: John Wiley and Sons, Inc., 2003. - 178 p.
14. Griffin M.E., McMahon K.D., Mackie R.I., Raskin L. Methanogenic population dynamics during start-up of anaerobic digesters treating municipal solid waste and biosolids // Biotechnol. Bioeng. - 1998. - V. 57, No 3. - P. 342-355.
15. Zheng D., Raskin L. Quantification of Methanosaeta species in anaerobic bioreactors using genus- and species-specific hybridization probes // Microb. Ecol. - 2000. - V. 39, No 3. - P. 246-262.
16. Lomans B.P., Maas R., Luderer R., Op den Camp H.J.M., Pol A., van der Drift C., Vo-gels G.D. Isolation and characterization of Methanomethylovorans hollandica gen. nov., sp. nov., isolated from freshwater sediment, a methylotrophic methanogen able to grow on dimethyl sulfide and methanethiol // Appl. Environ. Microbiol. - 1999. - V. 65, No 8. -P. 3641-3650.
17. Lomans B.P., van der Drift C., Pol A., Op den Camp H.J. Microbial cycling of volatile organic sulfur compounds // Cell Mol. Life Sci. - 2002. - V. 59, No 4. - P. 575-588.
18. Chaban B., Ng S., Jarrell K.F. Archaeal habitats - from the extreme to the ordinary // Can. J. Microbiol. - 2006. - V. 52, No 2. - P. 73-116.
Поступила в редакцию 16.09.10
Зиганшин Айрат Мансурович - кандидат биологических наук, ассистент кафедры микробиологии Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: [email protected]
Шмидт Томас - научный сотрудник департамента биогазовых технологий Немецкого центра исследования биомассы, г. Лейпциг, Германия.
Шольвин Франк - начальник департамента биогазовых технологий Немецкого центра исследования биомассы, г. Лейпциг, Германия.
Кляйнштаубер Сабина - научный сотрудник департамента экологической микробиологии Института имени Гельмгольца по исследованию окружающей среды, г. Лейпциг, Германия.
