Studio delle comunità microbiche coinvolte nel processo di digestione anaerobica e valorizzazione energetica di biomasse lignocellulosiche di scarto

Abstract

Lo scopo del lavoro è stato quello di approfondire la comprensione delle interazioni microbiche di una complessa Comunità Microbica (CM) coinvolta nella produzione di CH4 dal processo di Digestione Anaerobica (DA). Due esperimenti sono stati condotti in batch in condizioni di mesofilia (37°C) utilizzando la paglia di grano come substrato. Nel 1° esperimento due diverse strutture di CM sono state testate per comprendere il ruolo dell’aggregazione della comunità sulle produzioni di CH4. I risultati hanno mostrato che la struttura aggregata (A) ha aumentato la produzione (42%) rispetto a quella disaggregata (D). Sia la tecnica Illumina che la FISH hanno evidenziato differenze significative nella composizione sia degli inoculi A e D che delle prove AP e DP. Nel 2° esperimento, le fasi di idrolisi e acidogenesi, sono state migliorate rispettivamente dalla bioaugmentation della CM di D con: 1) un mix di Funghi Anaerobi Ruminali (ARF) e 2) un pool di batteri fermentanti (F210). I migliori risultati sono stati ottenuti quando ARF e F210 sono stati utilizzati insieme (1397,2±73,2 ml/l CH4); solo F210 ha aumentato la produzione di CH4, ma con un’efficienza più bassa (988,3±148,2 ml/l); quando sono stati utilizzati solo gli ARF, la produzione di CH4 è stata molto bassa (250,8±14,6 ml/l) smentendo l’efficacia di una interazione diretta con i metanogeni. Inoltre l’analisi della comunità (Illumina e FISH) ha mostrato degli shift molto interessanti tra le componenti funzionali lungo le prove sperimentali. Questi risultati collocano gli ARF all’inizio della catena trofica della DA e mostrano anche come l’equilibrio tra le componenti funzionali della CM svolge un ruolo fondamentale.

The aim of the work was to gain deeper insight into microbial interactions of the complex Microbial Community (MC) involved in CH4 production by Anaerobic Digestion (AD). Two batch experiments were carried out in mesophilic conditions (37°C) using wheat straw as substrate. In the 1st experiment two different structured MC were tested to investigate the role of the microbial aggregation on the CH4 productivity. The results showed that the aggregated structure (A) increased the production (42%) when compared to the disaggregated one (D). Both Illumina and FISH techniques showed significant differences in the composition both of A and D inocula, and AP and DP trials. In the 2nd experiment, the hydrolysis and acidogenesis steps were respectively enhanced by bioaugmentation of the MC of D with: 1) a mix of Anaerobic Ruminal Fungi (ARF) and 2) a fermenting bacteria pool (F210). The best results were obtained when both ARF and F210 were used (1397,2±73,2 ml/l CH4); F210 alone increased the CH4 production but with a lower efficiency (988,3±148,2 ml/l); when only ARF was used, CH4 production was very low (250,8±14,6 ml/l), disproving the effectiveness of their direct interaction with methanogens. Moreover MC analysis (Illumina and FISH) showed very interesting shifts composition along the experimental trial. These results place the ARF at the first step of the AD trophic chain and also show how the equilibrium among the microbial functional component of MC plays a pivotal role.