Elucidating the functional organization of the microbiome residing in anaerobic digesters for biogas production
Creators: name: Γάσπαρη, Μαρία Χρ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Αναερόβια αποικοδόμηση
Βιοαέριο
Μεταγονιδιωματική ανάλυση
Μεταμεταγραφωματική ανάλυση
Anaerobic digestion
Biogas
Genome-centric metagenomic analysis
Genome-centric metatranscriptomic analysis

description: Η αναερόβια χώνευση είναι μια καθιερωμένη τεχνολογία που βασίζεται στη φυσική διαδικασία αποσύνθεσης της οργανικής ύλης από μικροοργανισμούς απουσία οξυγόνου. Στο επίκεντρο αυτής της διαδικασίας βρίσκεται η περίπλοκη μικροβιολογία που κρύβεται πίσω από αυτήν, όπου μια ποικιλόμορφη κοινοπραξία μικροοργανισμών, κυρίως βακτηρίων και αρχαίων, αλλά και μυκήτων σε μικρότερο βαθμό, συνεργάζονται για να μετατρέψουν πολύπλοκες οργανικές ενώσεις σε απλούστερα μόρια. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διεξοδική διερεύνηση της επίδρασης διαφόρων παραγόντων καταπόνησης, και πιο συγκεκριμένα των λιπαρών οξέων μακράς αλύσου και της αμμωνίας, στις μικροβιακές κοινότητες αναερόβιων αντιδραστήρων για την παραγωγή βιοαερίου. Για την επίτευξη αυτού του στόχου χρησιμοποιήθηκαν μοριακές τεχνολογίες αιχμής για την αποκάλυψη της συμπεριφοράς των μικροβιακών μελών. Συγκεκριμένα, μέσω μεταγονιδιωματικών αναλύσεων, διερευνήθηκαν η γενετική ποικιλομορφία και οι λειτουργικές δυνατότητες των μικροβιακών κοινοτήτων, επιτρέποντας την ταυτοποίηση και το χαρακτηρισμό των διαφόρων μικροβιακών ειδών, καθώς και των μεταβολικών οδών και των πιθανών αλληλεπιδράσεών τους. Οι μεταμεταγραφωματικές αναλύσεις παρείχαν πληροφορίες σχετικά με τα μεταβολικά μονοπάτια και τις κυτταρικές διεργασίες που ενεργοποιούνται ή αναστέλλονται από την παρουσία λιπαρών οξέων μακράς αλύσου και αμμωνίας. Η παρούσα διατριβή είναι διαρθρωμένη σε τέσσερις επιμέρους μελέτες, καθεμία από τις οποίες αποτελούν ξεχωριστά κεφάλαια που παρέχουν ολοκληρωμένες περιγραφές των αντίστοιχων ερευνών. Η πρώτη μελέτη είχε ως στόχο να εξετάσει τις αλλαγές στο μικροβιακό προφίλ αντιδραστήρων βιοαερίου, όταν μεταβάλλεται η σύνθεση της εισερχόμενης τροφοδοσίας. Η έρευνα περιλάμβανε την αλλαγή του υποστρώματος από λύματα βουστασίου, σε λύματα βουστασίου στα οποία είχαν προστεθεί ακόρεστα λιπαρά οξέα μακράς ανθρακικής αλυσίδας και στη συνέχεια επαναφορά του υποστρώματος στην αρχική του σύνθεση. Με τη χρήση μεταγονιδιωματικής ανάλυσης και την παρακολούθηση βασικών βιοχημικών παραμέτρων, η μελέτη διαλεύκανε στις προσαρμοστικές αποκρίσεις των μικροοργανισμών στη σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης των λιπαρών οξέων. Στη δεύτερη μελέτη διερευνήθηκε περαιτέρω η απόκριση του μικροβιώματος αναερόβιων χωνευτών υπό την παρουσία λιπαρών οξέων μακράς ανθρακικής αλυσίδας. Για το λόγο αυτό, υιοθετήθηκε μια ολοκληρωμένη στρατηγική, με τη συσχέτιση βιοχημικών παραμέτρων με μεταγονιδιωματικά και μεταμεταγραφωματικά δεδομένα. Για την εκπλήρωση αυτού του στόχου και προκειμένου να συμπεριληφθεί η μεταγραφική δραστηριότητα των μικροβίων παρουσία λιπαρών οξέων, εφαρμόστηκε μια διαφορετική μεθοδολογική προσέγγιση. Οι μικροοργανισμοί υποβλήθηκαν σε εφάπαξ έκθεση λιπαρών οξέων σε μεγάλη συγκέντρωση. Η τρίτη μελέτη επικεντρώθηκε στην απόκριση του μικροβιώματος αντιδραστήρων βιοαερίου σε δύο μεμονωμένες εγχύσεις αμμωνίας σε τοξικές για τη διεργασία συγκεντρώσεις. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού, διεξήχθη μια ολοκληρωμένη ανάλυση με τη χρήση ενός συνδυασμού βιοχημικών μετρήσεων και μεταγονιδιωματικών και μεταμεταγραφωματικών δεδομένων. Στην τέταρτη και τελευταία μελέτη, χρησιμοποιήθηκε το μαθηματικό μοντέλο Bioconversion Model για την προσομοίωση σεναρίων τροφοδοσίας που δύναται να συναντηθούν σε αντιδραστήρες βιοαερίου, κατά τα οποία η βιοδιεργασία διαταράσσεται λόγω της παρουσίας λιπαρών οξέων ή αμμωνίας. Ο πρωταρχικός στόχος ήταν να αξιολογηθεί η αξιοπιστία και η απόδοση του μοντέλου. Για το λόγο αυτό, διερευνήθηκαν τρεις μελέτες που αφορούσαν διαφορετικές στρατηγικές τροφοδοσίας στους αντιδραστήρες. Συνολικά, η παρούσα διατριβή συνέβαλε σημαντικά στην επίτευξη βαθύτερης κατανόησης της απόκρισης των μικροβιακών κοινοτήτων σε αντιδραστήρες βιοαερίου μέσω της εφαρμογής προηγμένων μοριακών εργαλείων.
description: Anaerobic digestion is a proven and widely adopted technology that relies on the natural process of organic matter decomposition by microorganisms in the absence of oxygen. At the heart of this process lies the intricate microbiology behind it, where a diverse consortium of microorganisms, primarily bacteria and archaea, but also fungi to a lesser extent, work synergistically to convert complex organic compounds into simpler molecules. The objective of the present PhD thesis was to comprehensively investigate the effects of various stressor shocks, specifically long-chain fatty acids and ammonia, on the microbial communities within biogas reactors. To accomplish this objective, cutting-edge molecular technologies were employed to unravel the behavior of the microbial members in the presence of these stressors. Specifically, through genome-centric metagenomic analyses, the genetic diversity and functional capabilities of the microbial communities were explored, enabling the identification and characterization of the various microbial species or strains present, as well as their metabolic pathways and potential interactions. Genome-centric metatranscriptomic analyses provided insights into the metabolic pathways and cellular processes activated or inhibited by the presence of long-chain fatty acids and ammonia. The thesis is structured into four individual studies, each of which are separate chapters providing comprehensive descriptions of the respective investigations. The first study aimed to examine the changes in the microbial profile of manure-based lab-scale biogas reactors in response to changes in feedstock composition. The experiment involved transitioning the raw substrate from cattle manure to cattle manure enhanced with unsaturated long chain fatty acids, and subsequently reverting to solely cattle manure. By using genome-centric metagenomics and monitoring critical biochemical parameters, the study offered valuable insights into the adaptive responses of specific microbial communities to the incremental rise in lipid concentrations within the reactors. In the second study, there was an attempt to further investigate the response of biogas microbiome under the presence of long chain fatty acids. For this reason, a comprehensive strategy was adopted, coupling biochemical parameters with metagenomic and metatranscriptomic data. To fulfil this aim and in order to include the transcriptional activity of the microbes in the presence of lipids, a different methodological approach was applied. The microorganisms were confronted with a direct single-exposure of increased fatty acid level. The third study focused on the response of biogas microbiome to two shock loads induced by single pulses of elevated ammonia concentrations. To achieve this purpose, a comprehensive analysis was conducted utilizing a combination of biochemical measurements and genome-centric metagenomic and metatranscriptomic data. In the fourth and final study, the Bioconversion Model was employed to simulate common scenarios that may be encountered in biogas reactors, in which the bioprocess is disrupted by the presence of fatty acids and ammonia. The primary objective was to assess the reliability and performance of the Bioconversion Model by investigating three Case Studies involving different feedstock strategies in the reactors. Overall, this thesis has made significant contributions towards gaining a deeper understanding of the response of microbial communities in biogas reactors through the application of advanced molecular tools.