Magrittrdigester report

Kolm substraati, üks ja sama viimane samm

Iga liiter biometaani on arhede toodetud, ja kõik metanogeenid lõpetavad töö ühtemoodi: koensüüm M külge seotud metüülrühm redutseeritakse metaaniks metüül-koensüüm M reduktaasi abil, mida kodeerib geen mcrA (Thauer et al. 2008; Evans et al. 2019). Erinevus on selles, millisest ühendist nad selle viimase sammu jaoks metüülrühma saavad. Substraate on kolm rühma ja neist tulevad kolm rada, mida kääriti raport nimetab: vesinikuga (või formiaadiga) redutseeritud süsihappegaas, atsetaat ning metüülitud ühendid nagu metanool ja metüülamiinid (Liu ja Whitman 2008).

Rajad ei ole omavahel asendatavad ja neid ei kanna samad organismid. Madala ammoniaagisisaldusega reoveesetete kääritite kohta kehtib laias laastus, et umbes kaks kolmandikku metaanist tuleb atsetaadist ja suurem osa ülejäänust vesinikust ja süsihappegaasist (Demirel ja Scherer 2008). Ammoniaagirikastes põllumajanduslikes reaktorites on tasakaal sageli vastupidine; miks, selgitab allpool olev atsetaadi osa. Kui jaam on stressis, muutuvad iga raja kandjad, ja just seda on DNA tasemel võimalik näha.

Vesiniku rada

Hüdrogenotroofsed metanogeenid redutseerivad CO₂ vesiniku abil metaaniks ja paljud saavad vesiniku asemel kasutada formiaati. Need on kõige laiemalt levinud metanogeenid ja kuuluvad mitmesse seltsi, nende hulgas Methanobacteriales (Methanobacterium, Methanothermobacter, Methanobrevibacter), Methanomicrobiales (Methanoculleus, Methanocorpusculum), Methanococcales ja Methanocellales (Liu ja Whitman 2008).

Nende roll kääritis on suurem kui nende osa metaanist. Propionaati ja butüraati lagundavad bakterid vabastavad vesinikku ja saavad seda teha ainult seni, kuni vesinik eemaldatakse sama kiiresti, kui see tekib. Hüdrogenotroofid on need, kes selle eemaldavad (Demirel ja Scherer 2008). Kui nad tarbimises maha jäävad, kogunevad lenduvad rasvhapped: seega on tuttava häire esimese märgi taga vesiniku tarbija.

Methanoculleus väärib eraldi mainimist. See perekond esineb sageli ammoniaagirikaste kääritite peamise vesiniku tarbijana, kus tema ammoniaagitaluvus on üks põhjustest, miks ta püsib keskkonnas, kus teised metanogeenid taanduvad (Westerholm, Moestedt, ja Schnürer 2016; Wang, Fotidis, ja Angelidaki 2015), kusjuures Methanoculleus bourgensis ongi algselt eraldatud biogaasireaktorist (Maus et al. 2016). Näidisraportis kannab ta vesiniku rada mõlemas jaamas. BP3 reaktoris, millel põhinevad sügavustestid raportis What one digestate sample can tell you, oli ta ainus metanogeen, mille genoom õnnestus kokku panna igal sekveneerimissügavusel vahemikus 2,5 kuni 12 Gb.

Atsetaadi rada

Atsetaati lõhustavad ainult kaks metanogeenide rühma: Methanosarcina ja Methanotrichaceae: Methanothrix (varem Methanosaeta) ja Methanocrinis, kuhu kuulub nüüd endine Methanothrix harundinacea, kääritite organism, ning uus aluselist keskkonda eelistav liik (Smith ja Ingram-Smith 2007; Khomyakova et al. 2023). Kuna atsetaadirada kannab nii vähe perekondi, ütleb see, milline neist seda konkreetses reaktoris kannab, reaktori kohta üsna palju.

Methanothrix on spetsialist. Ta kasutab ainult atsetaati, kasvab aeglaselt ja toimib väga madalal atsetaadi kontsentratsioonil, mida Methanosarcina kasutada ei suuda (Jetten, Stams, ja Zehnder 1992; Smith ja Ingram-Smith 2007). Ta on edukas stabiilses, hästi toidetud reaktoris, kus atsetaat kunagi ei kogune. Methanosarcina on generalist. Ta vajab rohkem atsetaati, kasvab kiiremini, saab kasutada metüülühendeid ja enamik liike ka vesinikku ning talub kõrget atsetaadi- ja ammoniaagisisaldust ning soolsust märksa paremini, mis on talle toonud raske koormusega biometaanitootmise metanogeeni nimetuse (De Vrieze et al. 2012; Oren 2014). Tööstuslike kääritite uuringus puudus Methanothrix reaktoritest, kus ammoniaagi ja lenduvate rasvhapete sisaldus oli kõrge, ning neis domineeris Methanosarcina (Karakashev, Batstone, ja Angelidaki 2005).

Just sellel eristusel näidisraport põhinebki. Jaam A kannab oma atsetaadi rada liigil Methanothrix soehngenii, mis moodustab 3,7 % kaardistatud lugemitest: arvukas, tõhus ja ammoniaagitundlik. Jaamas B toimib atsetaadi rada liigil Methanosarcina flavescens, ja seda 0,49 % kaardistatud lugemite juures: vähene, kuid perekonnast, mis talub seda, mis jaama A oma peataks.

Kui atsetaat läheb ringiga

Kõrge ammoniaagisisalduse korral on atsetaadi lõhustajad pärsitud, kuid atsetaat ei hakka lihtsalt kogunema. Süntroofsed bakterid oksüdeerivad selle vesinikuks ja CO₂-ks ning hüdrogenotroofsed metanogeenid muudavad need metaaniks (Schnürer ja Nordberg 2008; Westerholm, Moestedt, ja Schnürer 2016). Metaan tuleb endiselt atsetaadist, kuid vesiniku raja kaudu, ja koostöö sõltub sellest, et vesiniku sisaldus püsiks madal, mistõttu on see aeglasem ja vähem andestav kui atsetaadi otsene lõhustamine (Westerholm, Moestedt, ja Schnürer 2016).

Kooslus, mille atsetaadi rada on õhuke ja mille metanogeenid on valdavalt Methanoculleus, sobib seega kokku reaktoriga, mis töötab sel viisil.

Metüüli rada

Metülotroofsed metanogeenid toodavad metaani metanoolist, metüülamiinidest ja metüülitud sulfiididest (Söllinger ja Urich 2019). Kääritis pärinevad need söödast: metanool pektiini demetüülimisest, metüülamiinid koliini, betaiini ja sarnaste ühendite lagunemisest (Söllinger ja Urich 2019). Tavaliselt on selle raja osa metaanist väike, kuid seda kandvad organismid on mitmekesisemad kui kummagi teise raja puhul.

Kahte tüüpi tasub eristada. Mõned Methanosarcinales lõhustavad metüülühendeid iseseisvalt, nende hulgas Methanosarcina ise ning ainult metüülühenditel kasvavad Methanolobus, Methanococcoides ja Methanomethylovorans (Oren 2014). Teised redutseerivad metüülrühmi vesiniku abil ega saa metaani muul viisil toota: Methanomassiliicoccales (Lang et al. 2015), Methanosphaera (Fricke et al. 2006), Methanofastidiosa (Nobu et al. 2016) ja Verstraetearchaeota (Vanwonterghem et al. 2016). Need mikroobid tarbivad vesinikku, kuid ei suuda CO₂ redutseerida, nii et raport loetleb nad metüüli raja all; vesiniku pärast konkureerivad nad siiski hüdrogenotroofidega. Methanogranum, mis kannab näidisraporti jaamas A metüüli rada, kuulub seltsi Methanomassiliicoccales.

Kuidas raporti nimesid lugeda

Üks nimi otsustab harva midagi. Oluline on kombineerida infot: milline perekond iga rada kannab, kui palju seda on ja kas rada toetub ühele genoomile või mitmele. Reaktor, mille atsetaadi rada toetub ühele ammoniaagitundlikule genoomile, on teistsuguses olukorras kui see, kus rada kannab tolerantne perekond, isegi kui mõlemad toodavad täna sama palju gaasi.

Kirjandus