Производство биогаза

 

     90—95% используемого углерода метанообразующие  бактерии превращают в метан  и лишь 5 — 10% углерода превращаются  в биомассу. В литературе имеются  данные о способности метанообразующих  бактерий в анаэробных условиях  одновременно синтезировать и  окислять метан [4].

 

3.2 Характеристика микроорганизмов

3.2.1 Ферментативные бактерии

 

     Ферментативные  бактерии представляют собой сложную  смесь многих видов бактерий, большая  часть которых является облигатными анаэробными бактериями. Наличие таких бактерий не исключает одновременно присутствия значительного количества факультативных анаэробных бактерий, подобных стрептококкам и кишечным бактериям. Доминирующими организмами могут быть анаэробные мезофилы типа Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium, Bifidobacterium, Lactobacillus и многие другие. Изолированные термофилы часто представляют собой спорообразующие анаэробные микроорганизмы, принадлежащие к роду Clostridium, однако в перегнивателях экскрементов крупного рогатого скота были обнаружены главным образом грамотрицательные, не образующие споры анаэробные бактерии.

     Полисахариды, подобно целлюлозе, гемицеллюлрзе, пектину и крахмалу, гидролизуются до сахаров и олигосахаридов, которые затем под действием бактерий ферментируются в различные продукты (рис. 9).  

 

Рисунок 9 – Направление катаболизма углеводов и основные конечные продукты, образующиеся при высоком и низком парциальном давлении водорода

     Первая  стадия ферментации полисахаридов  во многом напоминает ферментацию сложных  органических соединений в рубце  и происходит по принципу Эмдена - Мейерхофа - Парнаса с образованием электронов пировиноградной кислоты, которые  восстанавливаются в никотинамид-аденин-динуклеотид. Характер образующихся продуктов зависит  от того, насколько глубоко произошел  катаболизм пировиноградной кислоты. Она может расщепиться на уксусную кислоту, СО₂ и Н₂ или на пропионовую кислоту (через лактат или сукцинат), масляную кислоту или этанол. Лактат (молочная кислота) обнаружен в больших количествах в экскрементах крупного рогатого скота и в некоторых условиях может играть важную роль в качестве промежуточного вещества и субстрата. Сукцинат (янтарная кислота) представляет собой важное внеклеточное вещество. На его основе в рубцах и в иле образуются некоторые важные ферменты, которые затем декарбоксилируются в пропионовую и другие кислоты.

     Органические  отходы обычно содержат большее количество протеина и жиров и меньшее  количество углеводов, чем их содержится в пище, получаемой жвачными животными. Протеины гидролизуются в пептиды и аминокислоты, которые затем ферментируются в изомасляную, изовалериановую, D-2-метилмасляную и н-валериановую кислоты, в различные ароматические кислоты: фенилуксусную, фенилпропионовую, бензойную и индолилуксусную, а также в аммиак и сульфиды. Глицериды, фосфолипиды и другие жиры гидролизуются с высвобождением жирных кислот с длинной цепью и других продуктов, таких, как глицерин и галактоза, ферментация которых приводит к образованию продуктов. В процессе ферментации жирные кислоты с длинной цепью не подвергаются дальнейшему расщеплению, однако, ненасыщенные жирные кислоты (линоленовая, линолевая и олеиновая) гидрогенизуются в соответствующие насыщенные жирные кислоты [5].

3.2.2 Ацетогенные бактерии

 

     Было  выделено и исследовано всего  несколько видов ацетогенных  бактерий, производящих Н₂. Взятые в целом как группа, они расщепляют пропионовую и жирные кислоты с длинной цепью, спирты и, вероятно, ароматические и другие органические кислоты первого этапа ферментации, образуя уксусную кислоту, Н₂, а в случае источника энергии кислоты с нечетным числом атомов углерода и СО₂.

     Первым  доказательством различия видов  ацетогенных бактерий было выделение S-микроорганизмов из Methanosarcina omelkmskii . Перво-начально предполагалось, что под действием метаногенов происходит окисление этанола до уксусной кислоты и восстановление СО₂ до СН₄:

      ∆G^O = – 116,4 кДж/реакция. (1)

     Однако  впоследствии было установлено, что такая ферментация происходит под действием синтрофического сообщества двух видов бактерий: S-микроорганизмы приводят к катаболизму этанола до уксусной кислоты и Н₂:

     

      ∆G^O =  +9,6 кДж/реакция, (2) 

 а метаногены используют образующийся Н₂ для восстановления СО₂ в СН₄. Образование водорода и уксусной кислоты из этанола при использовании Н₂ для восстановления СО₂ в СН₄ энергетически неблагоприятно: свободный Н₂ задерживает рост S-микроорганизмов.

     Штаммы Desulfovibrio desulfuriccms и Desulfovibrio vulgaris при выращивании без сульфата в присутствии метаногенов, потребляющих водород, образуют его из лактата или этанола. Лактат (молочная кислота) расщепляется на уксусную кислоту, СО₂ и Н₂, а этанол на уксусную кислоту и Н₂.

     Если  образующийся водород быстро поглощается  метаногенами для образования СН₄, то

      ∆G^O =  – 4,6 кДж/реакция. (3) 

     Быстрое потребление Н₂ метаногенами вызывает сдвиг равновесия этих реакций, что благоприятствует образованию и росту на этих субстратах ацетогенных бактерий. Лактат после роста Desulfovibrio desulfuriccms в присутствии Methanosarcina barkeri, которые для образования метана используют как уксусную кислоту, так и Н₂, полностью расщепляется на СО₂ и СН₄.

     С точки зрения защиты окружающей среды пропионовая и жирные кислоты с длинной цепью представляют гораздо больший, интерес как промежуточные продукты анаэробной ферментации, чем лактат или этанол. Однако виды бактерий, которые вызывают катаболизм этих соединений, были выявлены совсем недавно. Первоначально полагали, что Methanobacterium suboxydans окисляют масляную и капроновую кислоты в уксусную с образованием СН₄ и валериановую в уксусную и пропионовую кислоты с образованием СН₄. Пропионовая кислота может быть затем декарбоксилирована в уксусную кислоту с образованием СО₂ и СН₄ под действием Methanobacterium propionicum. Однако в настоящее время считают, что эти соединения расщепляются под действием ацетогенных бактерий, производящих Н₂, поскольку

     – до сих пор не были получены чистые культуры метаногенов, расщепляющих жирные кислоты;

     – культура, ферментирующая этанол Methanosarcina omelianskii, оказалась синтрофическим сообществом двух видов бактерий;

     – среда, обогащенная пропионовой и масляной кислотами, потребляет Н₂ без инкубационного периода и при энергичном распределении СО₂ и Н₂ образуется СН₄ в виде основного продукта в этих обогащенных средах, а не в среде, обогащенной уксусной кислотой;

     – кратковременный контакт с водородом ингибирует расщепление пропионовой и масляной кислот, а не уксусной кислоты, расщепляющейся в обогащенной среде и в иле сточных вод.

     Недавно из культуры с бактериями, использующими  Н₂, такими, как метаногены или десульфовибрио, были выделены анаэробные бактерии, катаболизирующие жирные кислоты; они β - окисляют жирные кислоты с четным числом углеродных атомов (масляную, капроновую или каприловую кислоты) в уксусную и Н₂:

      ∆G^O =  + 48,1 кДж/реакция (4) 

или жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов (валериановая):

      ∆G^O =  + 48,1 кДж/реакция (5) 

или гептановую кислоту в уксусную, пропионовую  и Н₂. Эти бактерии при отсутствии бактерий, потребляющих Н₂, не могут использовать источник энергии или комбинацию донора и акцептора электрона, обеспечивающих их рост.

     Удалось также выделить виды бактерий, вызывающих катаболизм пропионовой кислоты  в уксусную, СО₂ и Н₂ [5]:

      ∆G^O =  + 76,1 кДж/реакция. (6)

3.2.3 Метаногенные бактерии

     

     Метаболические  свойства метанобразующих бактерий (строгий анаэробиоз, зависимость  от ограниченного набора ростовых субстратов, и в первую очередь от молекулярного  водорода) определяют их распространение  в природе. Обычными местами обитания этих бактерий является анаэробная зона разных водоемов, богатых органическими  соединениями. Они обнаруживаются в  иловых отложениях озер и рек, в болотах  и заболоченных почвах, в осадочных  слоях морей и океанов. Метанобразующие  бактерии — обитатели пищеварительного тракта животных и человека, а также  важный компонент микрофлоры рубца  жвачных животных.

     Так как метаногены используют ограниченный набор субстратов, их распространение  в природе тесно связано с  развитием образующих эти субстраты микроорганизмов. Совместно с последними метанобразующие бактерии обеспечивают протекание в природе важного крупномасштабного процесса — анаэробного разложения органических соединений, в первую очередь целлюлозы. Выделяют 3 основные стадии анаэробного разложения органического вещества. Первая — определяется деятельностью микроорганизмов с активными гидролитическими ферментами. Они разлагают сложные органические молекулы (белки, липиды, полисахариды) на более простые органические соединения. Вторая стадия связана с активностью водородобразующих бродильщиков, конечными продуктами метаболизма которых являются H₂, CO₂, CO, низшие жирные кислоты (в первую очередь ацетат) и спирты. Завершают анаэробную деструкцию органического вещества метанобразующие бактерии. Поскольку главным экологическим фактором, определяющим развитие метаногенов, является выделение H₂, в природе созданы и существуют ассоциации между водород выделяющими и метанобразующими бактериями. Примером такой естественной системы могут служить бактериальные ассоциации, обитающие в рубце жвачных животных и обеспечивающие разложение целлюлозы, пектина и других органических субстратов. О масштабности процессов, связанных с деятельностью метанобразующих бактерий, свидетельствует тот факт, что более 20% мировых запасов CH₄ имеют биогенное происхождение.

     Метанобразующие бактерии (метаногены) — морфологически разнообразная группа, объединяемая двумя общими для всех ее представителей признаками: облигатным анаэробиозом и способностью образовывать метан. Для создания таксономической структуры  метанобразующих бактерий был использован  филогенетический подход, основанный на сравнительном анализе нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. В соответствии с таким подходом в IX издании Определителя бактерий Берги группа разделена  на три порядка (Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales), коэффициент сходства (S_AB) для которых составляет 0,2 — 0,28(табл.3). Далее порядки разделены на 6 семейств (S_AB = 0,34–0,36) и 13 родов (S_AB = 0,46–0,51). Число видов достигает более 40. S_AB для них колеблется в пределах 0,55–0,65. О гетерогенности группы можно судить и по нуклеотидному составу ДНК ее представителей (молярное содержание ГЦ-оснований — от 27 до 61%)[6]. 

 

Таблица 3 – Таксономия метаногенов